laserové počítače

Taktovací frekvence 1 GHz u procesorů je jedna miliarda operací za sekundu. Mnoho, ale ty nejlepší modely, které jsou v současnosti běžnému spotřebiteli k dispozici, dosahují již několikanásobně více. Co když se to zrychlí... milionkrát?

To slibuje nová výpočetní technologie, která pomocí pulzů laserového světla přepíná mezi stavy „1“ a „0“. Vyplývá to z jednoduchého výpočtu kvadrilionkrát za sekundu.

V experimentech provedených v roce 2018 a popsaných v časopise Nature vědci vypálili pulzní infračervené laserové paprsky na voštinová pole wolframu a selenu (1). To způsobilo přepínání nula a jednoho stavu v kombinovaném křemíkovém čipu, stejně jako v běžném počítačovém procesoru, jen milionkrát rychlejší.

Jak se to stalo? Vědci to popisují graficky a ukazují, že elektrony v kovových plástvech se chovají "podivně" (i když ne tak moc). Vzrušené tyto částice přeskakují mezi různými kvantovými stavy, které experimentátoři pojmenovali “pseudopředení ».

Vědci to srovnávají s běžeckými pásy postavenými na molekulách. Tyto dráhy nazývají „údolí“ a popisují manipulaci s těmito stavy otáčení jako „Valleytronics » (S).

Elektrony jsou excitovány laserovými pulzy. V závislosti na polaritě infračervených pulzů „obsadí“ jedno ze dvou možných „údolí“ kolem atomů kovové mřížky. Tyto dva stavy okamžitě navrhují použití jevu v počítačové logice nula-jedna.

Elektronové skoky jsou extrémně rychlé, ve femtosekundových cyklech. A zde se skrývá tajemství neuvěřitelné rychlosti laserem naváděných systémů.

Kromě toho vědci tvrdí, že kvůli fyzikálním vlivům jsou tyto systémy v určitém smyslu v obou stavech současně (superpozice), což vytváří příležitosti pro Výzkumníci zdůrazňují, že toto vše se děje v pokojová teplotazatímco většina existujících kvantových počítačů vyžaduje chlazení systémů qubitů na teploty blízké absolutní nule.

"Z dlouhodobého hlediska vidíme skutečnou možnost vytvoření kvantových zařízení, která provádějí operace rychleji než jediná oscilace světelné vlny," uvedl výzkumník v prohlášení. Rupert Huber, profesor fyziky na univerzitě v Regensburgu, Německo.

Vědci však zatím žádné skutečné kvantové operace tímto způsobem neprovedli, takže myšlenka kvantového počítače pracujícího při pokojové teplotě zůstává čistě teoretická. Totéž platí pro běžný výpočetní výkon tohoto systému. Byla demonstrována pouze práce oscilací a nebyly provedeny žádné skutečné výpočetní operace.

Experimenty podobné těm popsaným již byly provedeny. V roce 2017 byl popis studie zveřejněn v Nature Photonics, mimo jiné na University of Michigan v USA. Tam procházely pulsy laserového světla trvající 100 femtosekund polovodičovým krystalem, ovládajícím stav elektronů. Jevy vyskytující se ve struktuře materiálu byly zpravidla podobné těm, které byly popsány dříve. To jsou kvantové důsledky.

Lehké čipy a perovskity

dělat"kvantové laserové počítače » se s ním zachází jinak. Loni v říjnu předvedl americko-japonsko-australský výzkumný tým lehký výpočetní systém. Namísto qubitů nový přístup využívá fyzický stav laserových paprsků a vlastních krystalů k přeměně paprsků na speciální typ světla nazývaný „stlačené světlo“.

Aby stav shluku prokázal potenciál kvantového počítání, musí být laser určitým způsobem změřen, a toho je dosaženo pomocí kvantově propletené sítě zrcadel, emitorů paprsků a optických vláken (2). Tento přístup je prezentován v malém měřítku, které neposkytuje dostatečně vysoké výpočetní rychlosti. Vědci však tvrdí, že model je škálovatelný a větší struktury by nakonec mohly dosáhnout kvantové výhody oproti použitým kvantovým a binárním modelům.

2. Laserové paprsky procházející spletitou sítí zrcadel

„Ačkoli současné kvantové procesory jsou působivé, není jasné, zda je lze škálovat na velmi velké velikosti,“ poznamenává Science Today. Nicolas Menicucci, přispívající výzkumník v Centru pro kvantové výpočetní a komunikační technologie (CQC2T) na RMIT University v Melbourne, Austrálie. "Náš přístup začíná extrémní škálovatelností zabudovanou do čipu od samého začátku, protože procesor, nazývaný stav clusteru, je vyroben ze světla."

Nové typy laserů jsou také potřebné pro ultrarychlé fotonické systémy (viz také:). Vědci z Far Eastern Federal University (FEFU) — spolu s ruskými kolegy z ITMO University, stejně jako vědci z Texaské univerzity v Dallasu a Australské národní univerzity — v březnu 2019 v časopise ACS Nano uvedli, že vyvinuli efektivní, rychlý a levný způsob výroby perovskitové lasery. Jejich výhodou oproti jiným typům je, že pracují stabilněji, což má u optických čipů velký význam.

„Naše technologie halogenidového laserového tisku poskytuje jednoduchý, ekonomický a vysoce kontrolovaný způsob hromadné výroby různých perovskitových laserů. Je důležité poznamenat, že optimalizace geometrie v procesu laserového tisku poprvé umožňuje získat stabilní jednovidové perovskitové mikrolasery (3). Takové lasery jsou slibné ve vývoji různých optoelektronických a nanofotonických zařízení, senzorů atd.,“ vysvětlil v publikaci Aleksey Zhishchenko, výzkumník z centra FEFU.

3. Perovskitové laserové paprsky

Osobní počítače „chodit po laserech“ samozřejmě brzy neuvidíme. Zatímco výše popsané experimenty jsou důkazem konceptu, dokonce ani prototypy výpočetních systémů.

Rychlosti nabízené světelnými a laserovými paprsky jsou však příliš lákavé pro výzkumníky a posléze inženýry, aby tuto cestu odmítli.