Лазерні комп'ютери

Тактова частота 1 ГГц в процесорах становить мільярд операцій на секунду. Багато, але найкращі моделі, доступні нині пересічному споживачеві, вже досягають у кілька разів більшого. Що, якщо воно прискориться... у мільйон разів?

Це те, що обіцяє нова обчислювальна техніка, що використовує імпульси лазерного світла для перемикання між станами «1» та «0». Це випливає з простого розрахунку квадрильйон раз на секунду.

В експериментах, проведених у 2018 році та описаних у журналі Nature, дослідники направили імпульсні інфрачервоні лазерні промені на стільникові грати з вольфраму та селену (1). Це викликало перемикання стану нуля та одиниці в комбінованому кремнієвому чіпі, як і у звичайному комп'ютерному процесорі, лише у мільйон разів швидше.

Як це відбулося? Вчені описують це графічно, показуючи, що електрони в металевих стільниках поводяться «дивно» (хоч і не так сильно). Збуджені ці частинки стрибають між різними квантовими станами, названими експериментаторами.псевдо-спінінг ».

Дослідники порівнюють це з біговими доріжками, що створені навколо молекул. Вони називають ці треки «долинами» і описують маніпулювання цими станами, що обертаються як »долинотроніка » (S).

Електрони порушуються лазерними імпульсами. Залежно від полярності інфрачервоних імпульсів вони займають одну з двох можливих долин навколо атомів решітки металу. Ці два стани відразу наводять на думку про використання явища в комп'ютерній логіці нуль-одиниця.

Стрибки електронів надзвичайно швидкі за фемтосекундні цикли. І тут криється секрет неймовірної швидкості систем із лазерним керуванням.

Крім того, вчені стверджують, що за рахунок фізичних впливів ці системи в певному сенсі знаходяться в обох станах одночасно (суперпозиція), Що створює можливості для. Дослідники підкреслюють, що все це відбувається в кімнатна температурав той час, як більшість існуючих квантових комп'ютерів вимагають охолодження систем кубитів до температури, близької до абсолютного нуля.

"У довгостроковій перспективі ми бачимо реальну можливість створення квантових пристроїв, які виконують операції швидше, ніж одне коливання світлової хвилі", - йдеться у заяві дослідника. Руперт Хубер, професор фізики Регенсбурзького університету, Німеччина.

Однак жодних реальних квантових операцій вчені поки не робили таким чином, тому ідея квантового комп'ютера, що працює при кімнатній температурі, залишається суто теоретичною. Те саме стосується і звичайного обчислювального потенціалу цієї системи. Демонструвалася лише робота коливань і жодних реальних обчислювальних операцій не проводилося.

Експерименти, подібні до описаних вище, вже проводилися. У 2017 році в «Nature Photonics» було опубліковано опис дослідження, у тому числі в університеті Мічігану в США. Там імпульси лазерного світла тривалістю 100 фемтосекунд пропускалися через напівпровідниковий кристал контролюючи стан електронів. Як правило, явища, що відбуваються у структурі матеріалу, були аналогічні описаним раніше. Такими є і квантові наслідки.

Чіпи світла та перовскіти

Робити “квантові лазерні комп'ютери » до нього ставляться по-різному. У жовтні минулого року американсько-японо-австралійська дослідницька група продемонструвала легку обчислювальну систему. Замість кубитів новий підхід використовує фізичний стан лазерних променів та нестандартних кристалів для перетворення променів у особливий тип світла, що називається «стислим світлом».

Щоб стан кластера продемонстрував потенціал квантових обчислень, лазер повинен бути певним чином виміряний, і це досягається за допомогою квантово-заплутаної мережі дзеркал, променів випромінювачів і оптичних волокон (2). Цей підхід представлений у невеликому масштабі, що не забезпечує достатньо високих швидкостей обчислень. Проте вчені кажуть, що модель є масштабованою, і більші структури можуть зрештою досягти квантової переваги в порівнянні з квантовими та бінарними моделями, що використовуються.

2. Лазерні промені, що проходять через заплутану мережу із дзеркал

"Хоча сучасні квантові процесори вражають, незрозуміло, чи можна їх масштабувати до дуже великих розмірів", - зазначає Science Today. Ніколя Менікуччі, що бере участь дослідник Центру квантових обчислень та комунікаційних технологій (CQC2T) Університету RMIT в Мельбурні, Австралія. «Наш підхід починається з надзвичайної масштабованості, вбудованої в чіп із самого початку, тому що процесор, званий станом кластера, зроблений зі світла».

Потрібні нові типи лазерів для надшвидких фотонних систем (див. також:). Вчені Далекосхідного федерального університету (ДВФУ) - разом з російськими колегами з Університету ІТМО, а також вченими Техаського університету в Далласі та Австралійського національного університету - повідомили в березні 2019 року в журналі ACS Nano, що розробили ефективний, швидкий та дешевий спосіб виробництва лазери на основі перовскіту. Їхня перевага перед іншими типами в тому, що вони працюють більш стабільно, що має велике значення для оптичних чіпів.

«Наша технологія лазерного друку на галогенідних матеріалах забезпечує простий, економічний та строго контрольований спосіб масового виробництва різних перовскітових лазерів. Важливо, що оптимізація геометрії в процесі лазерного друку вперше дозволяє отримати стабільні одномодові перовскітні мікролазери (3). Такі лазери є перспективними при розробці різних оптоелектронних та нанофотонних пристроїв, сенсорів тощо», — пояснив у публікації Олексій Жищенко, науковий співробітник центру ДВФУ.

3. Перовскітні лазерні промені

Звичайно, персональні комп'ютери, які «йдуть по лазерах», ми побачимо не скоро. Поки описані вище експерименти є доказами концепції, навіть прототипами обчислювальних систем.

Однак швидкості, пропоновані світлом і лазерними променями, надто привабливі для дослідників, а за ними і інженерів, щоб відмовитися від цього шляху.