υπολογιστές λέιζερ

Η συχνότητα ρολογιού του 1 GHz στους επεξεργαστές είναι ένα δισεκατομμύριο λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Πολλά, αλλά τα καλύτερα μοντέλα που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή στον μέσο καταναλωτή επιτυγχάνουν ήδη αρκετές φορές περισσότερα. Κι αν επιταχύνει... ένα εκατομμύριο φορές;

Αυτό υπόσχεται η νέα τεχνολογία υπολογιστών, χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός λέιζερ για εναλλαγή μεταξύ των καταστάσεων "1" και "0". Αυτό προκύπτει από έναν απλό υπολογισμό τετρασεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο.

Σε πειράματα που διεξήχθησαν το 2018 και περιγράφηκαν στο περιοδικό Nature, οι ερευνητές εκτόξευσαν παλμικές ακτίνες λέιζερ υπερύθρων σε συστοιχίες κηρήθρας βολφραμίου και σεληνίου (1). Αυτό προκάλεσε μια μεταγωγή μηδενικής και μίας κατάστασης στο συνδυασμένο τσιπ πυριτίου, ακριβώς όπως σε έναν συμβατικό επεξεργαστή υπολογιστή, μόνο ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα.

Πώς συνέβη? Οι επιστήμονες το περιγράφουν γραφικά, δείχνοντας ότι τα ηλεκτρόνια στις μεταλλικές κηρήθρες συμπεριφέρονται «περίεργα» (αν και όχι τόσο πολύ). Ενθουσιασμένα, αυτά τα σωματίδια πηδούν μεταξύ διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων, που ονομάστηκαν από πειραματιστές "ψευδο-σπινίνινγκ ».

Οι ερευνητές το συγκρίνουν με διαδρόμους που είναι κατασκευασμένοι γύρω από μόρια. Αποκαλούν αυτές τις διαδρομές "κοιλάδες" και περιγράφουν τη χειραγώγηση αυτών των περιστρεφόμενων καταστάσεων ως "valleytronics » (ΜΙΚΡΟ).

Τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από παλμούς λέιζερ. Ανάλογα με την πολικότητα των υπέρυθρων παλμών, «καταλαμβάνουν» μία από τις δύο πιθανές «κοιλάδες» γύρω από τα άτομα του μεταλλικού πλέγματος. Αυτές οι δύο καταστάσεις προτείνουν αμέσως τη χρήση του φαινομένου στη λογική υπολογιστών μηδέν-ένα.

Τα άλματα ηλεκτρονίων είναι εξαιρετικά γρήγορα, σε κύκλους femtosecond. Και εδώ βρίσκεται το μυστικό της απίστευτης ταχύτητας των συστημάτων καθοδήγησης με λέιζερ.

Επιπλέον, οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι λόγω φυσικών επιρροών, αυτά τα συστήματα βρίσκονται κατά κάποιο τρόπο και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα (προσθήκη), που δημιουργεί ευκαιρίες για Οι ερευνητές τονίζουν ότι όλα αυτά συμβαίνουν σε θερμοκρασία δωματίουενώ οι περισσότεροι υπάρχοντες κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν συστήματα qubits να ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

«Μακροπρόθεσμα, βλέπουμε μια πραγματική πιθανότητα δημιουργίας κβαντικών συσκευών που εκτελούν λειτουργίες ταχύτερα από μια μεμονωμένη ταλάντωση ενός φωτεινού κύματος», είπε ο ερευνητής σε μια δήλωση. Ρούπερτ Χούμπερ, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Regensburg, Γερμανία.

Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν έχουν πραγματοποιήσει ακόμη πραγματικές κβαντικές λειτουργίες με αυτόν τον τρόπο, επομένως η ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου παραμένει καθαρά θεωρητική. Το ίδιο ισχύει και για την κανονική υπολογιστική ισχύ αυτού του συστήματος. Αποδείχθηκε μόνο το έργο των ταλαντώσεων και δεν πραγματοποιήθηκαν πραγματικές υπολογιστικές πράξεις.

Πειράματα παρόμοια με αυτά που περιγράφηκαν παραπάνω έχουν ήδη πραγματοποιηθεί. Το 2017, μια περιγραφή της μελέτης δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics, μεταξύ άλλων στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν στις ΗΠΑ. Εκεί, παλμοί φωτός λέιζερ διάρκειας 100 femtosecond πέρασαν μέσα από έναν ημιαγωγό κρύσταλλο, που έλεγχε την κατάσταση των ηλεκτρονίων. Κατά κανόνα, τα φαινόμενα που εμφανίζονται στη δομή του υλικού ήταν παρόμοια με αυτά που περιγράφηκαν προηγουμένως. Αυτές είναι οι κβαντικές συνέπειες.

Ελαφριά τσιπς και περοβσκίτες

Κάνω "υπολογιστές κβαντικού λέιζερ » αντιμετωπίζεται διαφορετικά. Τον περασμένο Οκτώβριο, μια ερευνητική ομάδα ΗΠΑ-Ιαπωνίας-Αυστραλίας παρουσίασε ένα ελαφρύ υπολογιστικό σύστημα. Αντί για qubits, η νέα προσέγγιση χρησιμοποιεί τη φυσική κατάσταση των ακτίνων λέιζερ και των προσαρμοσμένων κρυστάλλων για να μετατρέψει τις ακτίνες σε έναν ειδικό τύπο φωτός που ονομάζεται «συμπιεσμένο φως».

Προκειμένου η κατάσταση του συμπλέγματος να καταδείξει τις δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού, το λέιζερ πρέπει να μετρηθεί με συγκεκριμένο τρόπο, και αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό-μπλεγμένο δίκτυο κατόπτρων, εκπομπών δέσμης και οπτικών ινών (2). Αυτή η προσέγγιση παρουσιάζεται σε μικρή κλίμακα, η οποία δεν παρέχει επαρκώς υψηλές υπολογιστικές ταχύτητες. Ωστόσο, οι επιστήμονες λένε ότι το μοντέλο είναι επεκτάσιμο και οι μεγαλύτερες δομές θα μπορούσαν τελικά να επιτύχουν ένα κβαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα κβαντικά και δυαδικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται.

2. Ακτίνες λέιζερ που περνούν μέσα από ένα μπερδεμένο δίκτυο κατόπτρων

«Ενώ οι σημερινοί κβαντικοί επεξεργαστές είναι εντυπωσιακοί, δεν είναι σαφές εάν μπορούν να κλιμακωθούν σε πολύ μεγάλα μεγέθη», σημειώνει το Science Today. Νικολά Μενικούτσι, συνεργαζόμενος ερευνητής στο Κέντρο Κβαντικών Υπολογιστικών και Τεχνολογίας Επικοινωνίας (CQC2T) στο Πανεπιστήμιο RMIT στη Μελβούρνη της Αυστραλίας. "Η προσέγγισή μας ξεκινά με εξαιρετική επεκτασιμότητα ενσωματωμένη στο τσιπ από την αρχή, επειδή ο επεξεργαστής, που ονομάζεται κατάσταση συμπλέγματος, είναι κατασκευασμένος από φως."

Νέοι τύποι λέιζερ χρειάζονται επίσης για υπερταχεία φωτονικά συστήματα (βλ. επίσης:). Επιστήμονες από το Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο Άπω Ανατολής (FEFU) — μαζί με Ρώσους συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο ITMO, καθώς και επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας — ανέφεραν τον Μάρτιο του 2019 στο περιοδικό ACS Nano ότι είχαν αναπτύξει ένα αποτελεσματικός, γρήγορος και φθηνός τρόπος παραγωγής λέιζερ περοβσκίτη. Το πλεονέκτημά τους σε σχέση με άλλους τύπους είναι ότι λειτουργούν πιο σταθερά, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για τα οπτικά τσιπ.

«Η τεχνολογία μας εκτύπωσης με λέιζερ αλογονιδίων παρέχει έναν απλό, οικονομικό και εξαιρετικά ελεγχόμενο τρόπο για τη μαζική παραγωγή μιας ποικιλίας λέιζερ περοβσκίτη. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας στη διαδικασία της εκτύπωσης λέιζερ για πρώτη φορά καθιστά δυνατή την απόκτηση σταθερών μικρολέιζερ περοβσκίτη απλής λειτουργίας (3). Τέτοια λέιζερ είναι πολλά υποσχόμενα για την ανάπτυξη διαφόρων οπτοηλεκτρονικών και νανοφωτονικών συσκευών, αισθητήρων κ.λπ.», εξήγησε ο Aleksey Zhishchenko, ερευνητής στο κέντρο FEFU, στη δημοσίευση.

3. Ακτίνες λέιζερ περοβσκίτη

Φυσικά, δεν θα δούμε σύντομα προσωπικούς υπολογιστές να «περπατούν πάνω σε λέιζερ». Ενώ τα πειράματα που περιγράφονται παραπάνω είναι αποδείξεις της ιδέας, ούτε καν πρωτότυπα υπολογιστικών συστημάτων.

Ωστόσο, οι ταχύτητες που προσφέρουν οι ακτίνες φωτός και λέιζερ είναι πολύ δελεαστικές για τους ερευνητές και στη συνέχεια τους μηχανικούς, να αρνηθούν αυτό το μονοπάτι.