کامپیوترهای لیزری
فرکانس ساعت 1 گیگاهرتز در پردازنده ها یک میلیارد عملیات در ثانیه است. بسیار زیاد است، اما بهترین مدل‌هایی که در حال حاضر برای مصرف‌کننده‌های معمولی موجود است، چندین برابر بیشتر به دست می‌آورند. چه می شود اگر سرعت آن ... میلیون بار بیشتر شود؟
این همان چیزی است که فناوری محاسباتی جدید با استفاده از پالس های نور لیزر برای جابجایی بین حالت های "1" و "0" وعده می دهد. این از یک محاسبه ساده به دست می آید کوادریلیون بار در ثانیه.
در آزمایش‌هایی که در سال 2018 انجام شد و در مجله Nature شرح داده شد، محققان پرتوهای لیزر مادون قرمز پالسی را روی آرایه‌های لانه زنبوری تنگستن و سلنیوم شلیک کردند (1). این امر باعث شد که حالت صفر و یک در تراشه سیلیکونی ترکیبی تغییر کند، درست مانند یک پردازنده کامپیوتر معمولی، تنها یک میلیون بار سریعتر.
چگونه اتفاق افتاد؟ دانشمندان آن را به صورت گرافیکی توصیف می‌کنند و نشان می‌دهند که الکترون‌های موجود در لانه‌های زنبوری فلزی «عجیب» رفتار می‌کنند (البته نه به اندازه). این ذرات هیجان زده بین حالت های کوانتومی مختلف که توسط آزمایشگران نامگذاری شده است می پرند.شبه چرخش ».
محققان این را با تردمیل های ساخته شده در اطراف مولکول ها مقایسه می کنند. آنها این مسیرها را "دره" می نامند و دستکاری این حالت های چرخان را به عنوان "valleytronics » (S).
الکترون ها توسط پالس های لیزری برانگیخته می شوند. بسته به قطبیت پالس‌های فروسرخ، آنها یکی از دو «دره» ممکن در اطراف اتم‌های شبکه فلزی را اشغال می‌کنند. این دو حالت بلافاصله استفاده از پدیده را در منطق کامپیوتر صفر و یک پیشنهاد می کنند.
پرش های الکترون بسیار سریع، در چرخه فمتوثانیه است. و راز سرعت باورنکردنی سیستم های هدایت لیزری در اینجا نهفته است.
علاوه بر این، دانشمندان استدلال می کنند که به دلیل تأثیرات فیزیکی، این سیستم ها به نوعی در هر دو حالت همزمان هستند.برهم نهی) که فرصت هایی را برای محققان تاکید می کنند که همه اینها در دمای اتاقدر حالی که اکثر کامپیوترهای کوانتومی موجود به سیستم‌های کیوبیتی نیاز دارند که تا دمای نزدیک به صفر مطلق خنک شوند.
این محقق در بیانیه‌ای گفت: «در درازمدت، ما امکان واقعی ایجاد دستگاه‌های کوانتومی را می‌بینیم که عملیات‌هایی را سریعتر از یک نوسان موج نور انجام می‌دهند». روپرت هوبراستاد فیزیک دانشگاه رگنسبورگ آلمان.
با این حال، دانشمندان هنوز هیچ عملیات کوانتومی واقعی را به این روش انجام نداده‌اند، بنابراین ایده یک کامپیوتر کوانتومی که در دمای اتاق کار می‌کند صرفاً نظری باقی می‌ماند. همین امر در مورد توان محاسباتی معمولی این سیستم نیز صدق می کند. فقط کار نوسانات نشان داده شد و هیچ عملیات محاسباتی واقعی انجام نشد.
آزمایش هایی مشابه آنچه در بالا توضیح داده شد قبلاً انجام شده است. در سال 2017، شرحی از این مطالعه در Nature Photonics از جمله در دانشگاه میشیگان در ایالات متحده منتشر شد. در آنجا، پالس های نور لیزر با مدت زمان 100 فمتوثانیه از یک کریستال نیمه هادی عبور داده شد و وضعیت الکترون ها را کنترل می کرد. به عنوان یک قاعده، پدیده هایی که در ساختار مواد رخ می دهند مشابه مواردی بود که قبلاً توضیح داده شد. اینها پیامدهای کوانتومی هستند.
تراشه های سبک و پروسکایت
انجام دادن "کامپیوترهای لیزر کوانتومی » با او متفاوت رفتار می شود اکتبر گذشته، یک تیم تحقیقاتی آمریکایی-ژاپنی-استرالیایی یک سیستم محاسباتی سبک وزن را به نمایش گذاشتند. به جای کیوبیت، رویکرد جدید از حالت فیزیکی پرتوهای لیزر و کریستال های سفارشی برای تبدیل پرتوها به نوع خاصی از نور به نام «نور فشرده» استفاده می کند.
برای اینکه وضعیت خوشه بتواند پتانسیل محاسبات کوانتومی را نشان دهد، لیزر باید به روش خاصی اندازه‌گیری شود و این با استفاده از یک شبکه درهم‌تنیده کوانتومی از آینه‌ها، پرتوهای پرتو و فیبرهای نوری به دست می‌آید (2). این رویکرد در مقیاس کوچک ارائه شده است که سرعت محاسباتی به اندازه کافی بالا را ارائه نمی دهد. با این حال، دانشمندان می‌گویند این مدل مقیاس‌پذیر است و ساختارهای بزرگ‌تر در نهایت می‌توانند به برتری کوانتومی نسبت به مدل‌های کوانتومی و باینری مورد استفاده دست یابند.
2. پرتوهای لیزری که از شبکه درهم پیچیده ای از آینه ها عبور می کنند
ساینس تودی خاطرنشان می کند: «در حالی که پردازنده های کوانتومی فعلی چشمگیر هستند، مشخص نیست که آیا می توان آنها را تا اندازه های بسیار بزرگ مقیاس کرد یا خیر». نیکلاس منیکوچی، یک محقق مشارکت کننده در مرکز محاسبات کوانتومی و فناوری ارتباطات (CQC2T) در دانشگاه RMIT در ملبورن، استرالیا. «رویکرد ما با مقیاس‌پذیری فوق‌العاده‌ای که از همان ابتدا در تراشه تعبیه شده است شروع می‌شود، زیرا پردازنده که حالت خوشه‌ای نامیده می‌شود، از نور ساخته شده است.»
انواع جدیدی از لیزرها نیز برای سیستم های فوتونیک فوق سریع مورد نیاز است (همچنین نگاه کنید به:). دانشمندان دانشگاه فدرال خاور دور (FEFU) - همراه با همکاران روسی از دانشگاه ITMO، و همچنین دانشمندانی از دانشگاه تگزاس در دالاس و دانشگاه ملی استرالیا - در مارس 2019 در مجله ACS Nano گزارش دادند که آنها یک روشی کارآمد، سریع و ارزان برای تولید لیزر پروسکایت. مزیت آنها نسبت به انواع دیگر این است که پایدارتر کار می کنند که برای تراشه های نوری اهمیت زیادی دارد.
فن آوری چاپ لیزری هالید ما راهی ساده، مقرون به صرفه و بسیار کنترل شده برای تولید انبوه انواع لیزر پروسکایت فراهم می کند. توجه به این نکته ضروری است که بهینه سازی هندسه در فرآیند چاپ لیزری برای اولین بار، دستیابی به میکرولیزرهای پروسکایت تک حالته پایدار را ممکن می سازد (3). آلکسی ژیشچنکو، محقق مرکز FEFU، در این نشریه توضیح داد که چنین لیزرهایی در توسعه ابزارهای مختلف نوری و نانوفوتونیکی، حسگرها و غیره امیدوارکننده هستند.
3. پرتوهای لیزر پروسکایت
البته ما به زودی شاهد «راه رفتن روی لیزر» رایانه های شخصی نخواهیم بود. تاکنون، آزمایش‌هایی که در بالا توضیح داده شد، اثبات مفهوم هستند، نه حتی نمونه‌های اولیه سیستم‌های محاسباتی.
با این حال، سرعت ارائه شده توسط پرتوهای نور و لیزر برای محققان و سپس مهندسان برای امتناع از این مسیر بسیار وسوسه انگیز است.
