computer laser

La frequenza di clock di 1 GHz nei processori è di un miliardo di operazioni al secondo. Molto, ma i migliori modelli attualmente a disposizione del consumatore medio stanno già ottenendo parecchie volte di più. E se accelerasse... un milione di volte?

Questo è ciò che promette la nuova tecnologia informatica, che utilizza impulsi di luce laser per passare dagli stati "1" a "0". Ciò deriva da un semplice calcolo quadrilioni di volte al secondo.

In esperimenti condotti nel 2018 e descritti sulla rivista Nature, i ricercatori hanno sparato raggi laser a infrarossi pulsati su array a nido d'ape di tungsteno e selenio (1). Ciò ha causato lo stato di zero e uno per commutare nel chip di silicio combinato, proprio come in un processore per computer convenzionale, solo un milione di volte più velocemente.

Come è successo? Gli scienziati lo descrivono graficamente, mostrando che gli elettroni nei favi di metallo si comportano in modo "strano" (anche se non così tanto). Eccitate, queste particelle saltano tra diversi stati quantistici, chiamati dagli sperimentatori "pseudo-filatura ».

I ricercatori lo confrontano con i tapis roulant costruiti attorno alle molecole. Chiamano queste tracce "valli" e descrivono la manipolazione di questi stati rotanti come "valtronica » (S).

Gli elettroni sono eccitati da impulsi laser. A seconda della polarità degli impulsi infrarossi, essi "occupano" una delle due possibili "valli" attorno agli atomi del reticolo metallico. Questi due stati suggeriscono immediatamente l'uso del fenomeno nella logica del computer zero-uno.

I salti di elettroni sono estremamente veloci, in cicli di femtosecondi. E qui sta il segreto dell'incredibile velocità dei sistemi a guida laser.

Inoltre, gli scienziati sostengono che, a causa delle influenze fisiche, questi sistemi si trovano in un certo senso in entrambi gli stati contemporaneamente (sovrapposizione), che crea opportunità per I ricercatori sottolineano che tutto questo accade temperatura ambientementre la maggior parte dei computer quantistici esistenti richiede il raffreddamento dei sistemi di qubit a temperature vicine allo zero assoluto.

"A lungo termine, vediamo una reale possibilità di creare dispositivi quantistici che eseguano operazioni più velocemente di una singola oscillazione di un'onda luminosa", ha affermato il ricercatore in una nota. Rupert Huber, professore di fisica all'Università di Ratisbona, Germania.

Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora eseguito alcuna operazione quantistica reale in questo modo, quindi l'idea di un computer quantistico funzionante a temperatura ambiente rimane puramente teorica. Lo stesso vale per la normale potenza di calcolo di questo sistema. È stato dimostrato solo il lavoro delle oscillazioni e non sono state eseguite vere operazioni di calcolo.

Sono già stati effettuati esperimenti simili a quelli sopra descritti. Nel 2017, una descrizione dello studio è stata pubblicata su Nature Photonics, inclusa l'Università del Michigan negli Stati Uniti. Lì, impulsi di luce laser con una durata di 100 femtosecondi sono stati fatti passare attraverso un cristallo semiconduttore, controllando lo stato degli elettroni. Di norma, i fenomeni che si verificano nella struttura del materiale erano simili a quelli descritti in precedenza. Queste sono le conseguenze quantistiche.

Chip leggeri e perovskiti

Fare "computer laser quantistici » viene trattato diversamente. Lo scorso ottobre, un gruppo di ricerca statunitense-giapponese-australiano ha dimostrato un sistema di calcolo leggero. Invece dei qubit, il nuovo approccio utilizza lo stato fisico dei raggi laser e dei cristalli personalizzati per convertire i raggi in un tipo speciale di luce chiamata "luce compressa".

Affinché lo stato del cluster dimostri il potenziale del calcolo quantistico, il laser deve essere misurato in un certo modo, e ciò si ottiene utilizzando una rete quantistica di specchi, emettitori di raggi e fibre ottiche (2). Questo approccio è presentato su piccola scala, che non fornisce velocità di calcolo sufficientemente elevate. Tuttavia, gli scienziati affermano che il modello è scalabile e strutture più grandi potrebbero eventualmente ottenere un vantaggio quantistico rispetto ai modelli quantistici e binari utilizzati.

2. Raggi laser che passano attraverso una rete intricata di specchi

"Sebbene gli attuali processori quantistici siano impressionanti, non è chiaro se possano essere ridimensionati a dimensioni molto grandi", osserva Science Today. Nicola Menicucci, un ricercatore collaboratore presso il Center for Quantum Computing and Communication Technology (CQC2T) presso la RMIT University di Melbourne, Australia. "Il nostro approccio inizia con un'estrema scalabilità integrata nel chip fin dall'inizio perché il processore, chiamato stato del cluster, è fatto di luce".

Nuovi tipi di laser sono necessari anche per i sistemi fotonici ultraveloci (vedi anche:). Scienziati dell'Università Federale dell'Estremo Oriente (FEFU), insieme ai colleghi russi dell'Università ITMO, nonché scienziati dell'Università del Texas a Dallas e dell'Università nazionale australiana, hanno riferito nel marzo 2019 sulla rivista ACS Nano di aver sviluppato un modo efficiente, veloce ed economico di produrre laser a perovskite. Il loro vantaggio rispetto ad altri tipi è che funzionano in modo più stabile, il che è di grande importanza per i chip ottici.

“La nostra tecnologia di stampa laser ad alogenuri fornisce un modo semplice, economico e altamente controllato per produrre in serie una varietà di laser a perovskite. È importante notare che l'ottimizzazione della geometria nel processo di stampa laser consente per la prima volta di ottenere microlaser a perovskite monomodali stabili (3). Tali laser sono promettenti nello sviluppo di vari dispositivi optoelettronici e nanofotonici, sensori, ecc.", ha spiegato Aleksey Zhishchenko, ricercatore presso il centro FEFU, nella pubblicazione.

3. Raggi laser di perovskite

Naturalmente, non vedremo presto i personal computer "camminare sui laser". Finora, gli esperimenti sopra descritti sono prove di concetto, nemmeno prototipi di sistemi informatici.

Tuttavia, le velocità offerte dalla luce e dai raggi laser sono troppo allettanti per i ricercatori, e poi per gli ingegneri, per rifiutare questo percorso.