Лазерные компьютеры

Тактовая частота 1 ГГц в процессорах составляет один миллиард операций в секунду. Много, но лучшие модели, доступные в настоящее время рядовому потребителю, уже достигают в несколько раз большего. Что, если оно ускорится… в миллион раз?

Это то, что обещает новая вычислительная техника, использующая импульсы лазерного света для переключения между состояниями «1» и «0». Это следует из простого расчета квадриллион раз в секунду.

В экспериментах, проведенных в 2018 году и описанных в журнале Nature, исследователи направили импульсные инфракрасные лазерные лучи на сотовые решетки из вольфрама и селена (1). Это вызвало переключение состояния нуля и единицы в комбинированном кремниевом чипе, как и в обычном компьютерном процессоре, только в миллион раз быстрее.

Как это произошло? Ученые описывают это графически, показывая, что электроны в металлических сотах ведут себя «странно» (хотя и не так сильно). Возбужденные, эти частицы прыгают между разными квантовыми состояниями, названными экспериментаторами «псевдо-спиннинг ».

Исследователи сравнивают это с беговыми дорожками, созданными вокруг молекул. Они называют эти треки «долинами» и описывают манипулирование этими вращающимися состояниями как »долинотроника » (S).

Электроны возбуждаются лазерными импульсами. В зависимости от полярности инфракрасных импульсов они «занимают» одну из двух возможных «долин» вокруг атомов решетки металла. Эти два состояния сразу наводят на мысль об использовании явления в компьютерной логике ноль-единица.

Прыжки электронов чрезвычайно быстрые, за фемтосекундные циклы. И здесь кроется секрет невероятной скорости систем с лазерным управлением.

Кроме того, ученые утверждают, что за счет физических воздействий эти системы в некотором смысле находятся в обоих состояниях одновременно (суперпозиция), что создает возможности для. Исследователи подчеркивают, что все это происходит в комнатная температурав то время как большинство существующих квантовых компьютеров требуют охлаждения систем кубитов до температуры, близкой к абсолютному нулю.

«В долгосрочной перспективе мы видим реальную возможность создания квантовых устройств, которые выполняют операции быстрее, чем одно колебание световой волны», — говорится в заявлении исследователя. Руперт Хубер, профессор физики Регенсбургского университета, Германия.

Однако никаких реальных квантовых операций ученые пока не производили таким образом, поэтому идея квантового компьютера, работающего при комнатной температуре, остается чисто теоретической. То же самое относится и к обычному вычислительному потенциалу этой системы. Демонстрировалась только работа колебаний и никаких реальных вычислительных операций не производилось.

Эксперименты, подобные описанным выше, уже проводились. В 2017 году в «Nature Photonics» было опубликовано описание исследования, в том числе в Мичиганском университете в США. Там импульсы лазерного света длительностью 100 фемтосекунд пропускались через полупроводниковый кристалл, контролируя состояние электронов. Как правило, явления, происходящие в структуре материала, были аналогичны описанным ранее. Таковы и квантовые последствия.

Чипы света и перовскиты

Делать «квантовые лазерные компьютеры » к нему относятся по-разному. В октябре прошлого года американо-японо-австралийская исследовательская группа продемонстрировала легкую вычислительную систему. Вместо кубитов новый подход использует физическое состояние лазерных лучей и нестандартных кристаллов для преобразования лучей в особый тип света, называемый «сжатым светом».

Чтобы состояние кластера продемонстрировало потенциал квантовых вычислений, лазер должен быть определенным образом измерен, и это достигается с помощью квантово-запутанной сети зеркал, излучателей луча и оптических волокон (2). Этот подход представлен в небольшом масштабе, что не обеспечивает достаточно высоких скоростей вычислений. Однако ученые говорят, что модель является масштабируемой, и более крупные структуры могут в конечном итоге достичь квантового преимущества по сравнению с используемыми квантовыми и бинарными моделями.

2. Лазерные лучи, проходящие через запутанную сеть из зеркал

«Хотя современные квантовые процессоры впечатляют, неясно, можно ли их масштабировать до очень больших размеров», — отмечает Science Today. Николя Меникуччи, участвующий исследователь Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T) Университета RMIT в Мельбурне, Австралия. «Наш подход начинается с чрезвычайной масштабируемости, встроенной в чип с самого начала, потому что процессор, называемый состоянием кластера, сделан из света».

Нужны новые типы лазеров и для сверхбыстрых фотонных систем (см. также:). Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) — вместе с российскими коллегами из Университета ИТМО, а также учеными Техасского университета в Далласе и Австралийского национального университета — сообщили в марте 2019 года в журнале ACS Nano, что разработали эффективную , быстрый и дешевый способ производства лазеры на основе перовскита. Их преимущество перед другими типами в том, что они работают более стабильно, что имеет большое значение для оптических чипов.

«Наша технология лазерной печати на галогенидных материалах обеспечивает простой, экономичный и строго контролируемый способ массового производства различных перовскитовых лазеров. Важно отметить, что оптимизация геометрии в процессе лазерной печати впервые позволяет получить стабильные одномодовые перовскитные микролазеры (3). Такие лазеры перспективны при разработке различных оптоэлектронных и нанофотонных устройств, сенсоров и т. д.», — пояснил в публикации Алексей Жищенко, научный сотрудник центра ДВФУ.

3. Перовскитные лазерные лучи

Конечно, персональные компьютеры, «идущие по лазерам», мы увидим не скоро. Пока описанные выше эксперименты являются доказательствами концепции, даже не прототипами вычислительных систем.

Однако скорости, предлагаемые светом и лазерными лучами, слишком заманчивы для исследователей, а за ними и инженеров, чтобы отказаться от этого пути.