lasercomputers
De klokfrequentie van 1 GHz in processors is een miljard bewerkingen per seconde. Veel, maar de beste modellen die momenteel beschikbaar zijn voor de gemiddelde consument, bereiken al vele malen meer. Wat als het versnelt... een miljoen keer?
Dit is wat nieuwe computertechnologie belooft, waarbij laserlichtpulsen worden gebruikt om te schakelen tussen toestanden "1" en "0". Dit volgt uit een simpele berekening biljard keer per seconde.
In experimenten uitgevoerd in 2018 en beschreven in het tijdschrift Nature, vuurden onderzoekers gepulseerde infrarood laserstralen af op honingraatarrays van wolfraam en selenium (1). Dit veroorzaakte een nul- en eentoestandswisseling in de gecombineerde siliciumchip, net als in een conventionele computerprocessor, maar dan een miljoen keer sneller.
Hoe is het gebeurd? De wetenschappers beschrijven dit grafisch en laten zien dat de elektronen in de metalen honingraten zich "raar" gedragen (hoewel niet zo veel). Opgewonden springen deze deeltjes tussen verschillende kwantumtoestanden, genoemd door onderzoekers "pseudo spinnen ».
De onderzoekers vergelijken dit met loopbanden die rond moleculen zijn gebouwd. Ze noemen deze sporen "valleien" en beschrijven de manipulatie van deze draaiende toestanden als "dolinatronica » (S).
Elektronen worden geëxciteerd door laserpulsen. Afhankelijk van de polariteit van de infraroodpulsen "bezetten" ze een van de twee mogelijke "valleien" rond de atomen van het metalen rooster. Deze twee toestanden suggereren onmiddellijk het gebruik van het fenomeen in nul-één computerlogica.
De elektronensprongen zijn extreem snel, in femtoseconde cycli. En hier ligt het geheim van de ongelooflijke snelheid van lasergestuurde systemen.
Bovendien beweren wetenschappers dat deze systemen zich door fysieke invloeden in zekere zin in beide toestanden tegelijkertijd bevinden (superpositie), wat kansen schept voor De onderzoekers benadrukken dat dit allemaal gebeurt in kamertemperatuurterwijl de meeste bestaande kwantumcomputers vereisen dat systemen van qubits worden gekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt.
"Op de lange termijn zien we een reële mogelijkheid om kwantumapparaten te maken die bewerkingen sneller uitvoeren dan een enkele oscillatie van een lichtgolf", zei de onderzoeker in een verklaring. Rupert Huber, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg, Duitsland.
Wetenschappers hebben op deze manier echter nog geen echte kwantumoperaties uitgevoerd, dus het idee van een kwantumcomputer die op kamertemperatuur werkt, blijft puur theoretisch. Hetzelfde geldt voor de normale rekenkracht van dit systeem. Alleen het werk van oscillaties werd gedemonstreerd en er werden geen echte computationele bewerkingen uitgevoerd.
Soortgelijke experimenten als hierboven beschreven zijn al uitgevoerd. In 2017 verscheen een beschrijving van het onderzoek in Nature Photonics, onder andere aan de University of Michigan in de VS. Daar werden pulsen van laserlicht van 100 femtoseconden door een halfgeleiderkristal geleid, waarbij de toestand van de elektronen werd gecontroleerd. In de regel waren de verschijnselen die zich in de structuur van het materiaal voordeden vergelijkbaar met de eerder beschreven verschijnselen. Dit zijn de kwantumgevolgen.
Lichte chips en perovskieten
Doen "kwantumlasercomputers » hij wordt anders behandeld. Afgelopen oktober demonstreerde een Amerikaans-Japans-Australisch onderzoeksteam een lichtgewicht computersysteem. In plaats van qubits gebruikt de nieuwe benadering de fysieke toestand van laserstralen en aangepaste kristallen om de stralen om te zetten in een speciaal type licht dat "gecomprimeerd licht" wordt genoemd.
Om de toestand van het cluster het potentieel van kwantumcomputing te laten zien, moet de laser op een bepaalde manier worden gemeten, en dit wordt bereikt met behulp van een kwantumverstrengeld netwerk van spiegels, straalzenders en optische vezels (2). Deze benadering wordt op kleine schaal gepresenteerd, wat niet voldoende hoge rekensnelheden oplevert. De wetenschappers zeggen echter dat het model schaalbaar is en dat grotere structuren uiteindelijk een kwantumvoordeel kunnen behalen ten opzichte van de gebruikte kwantum- en binaire modellen.
2. Laserstralen die door een verward netwerk van spiegels gaan
"Hoewel de huidige kwantumprocessors indrukwekkend zijn, is het onduidelijk of ze kunnen worden opgeschaald tot zeer grote formaten", merkt Science Today op. Nicolas Menicucci, een bijdragende onderzoeker aan het Centre for Quantum Computing and Communication Technology (CQC2T) aan de RMIT University in Melbourne, Australië. "Onze aanpak begint met extreme schaalbaarheid die vanaf het begin in de chip is ingebouwd, omdat de processor, de clusterstatus genaamd, van licht is gemaakt."
Ook voor ultrasnelle fotonische systemen zijn nieuwe typen lasers nodig (zie ook:). Wetenschappers van de Far Eastern Federal University (FEFU) - samen met Russische collega's van ITMO University, evenals wetenschappers van de University of Texas in Dallas en de Australian National University - meldden in maart 2019 in het tijdschrift ACS Nano dat ze een efficiënte, snelle en goedkope manier van produceren perovskiet lasers. Hun voordeel ten opzichte van andere typen is dat ze stabieler werken, wat van groot belang is voor optische chips.
“Onze halogenide-laserprinttechnologie biedt een eenvoudige, economische en zeer gecontroleerde manier om een verscheidenheid aan perovskietlasers massaal te produceren. Het is belangrijk op te merken dat de optimalisatie van de geometrie in het proces van laserprinten voor het eerst het mogelijk maakt om stabiele single-mode perovskiet-microlasers te verkrijgen (3). Dergelijke lasers zijn veelbelovend in de ontwikkeling van verschillende opto-elektronische en nanofotonische apparaten, sensoren, enz.', legt Aleksey Zhishchenko, een onderzoeker bij het FEFU-centrum, uit in de publicatie.
3. Perovskiet laserstralen
Natuurlijk zullen we personal computers niet snel "op lasers zien lopen". Terwijl de hierboven beschreven experimenten proofs of concept zijn, zelfs geen prototypes van computersystemen.
De snelheden die door licht en laserstralen worden geboden, zijn echter te verleidelijk voor onderzoekers en vervolgens voor ingenieurs om dit pad te weigeren.
