Lys kunne gøre halvledercomputere en million gange hurtigere eller endda gå til kvante

En teknik til at manipulere elektroner med lys kan bringe kvanteberegning op til stuetemperatur.

Et team af forskere i Tyskland og ved University of Michigan har demonstreret, hvordan infrarøde laserpulser kan flytte elektroner mellem to forskellige tilstande, den klassiske 1 og 0, i et tyndt stykke halvleder.

"Almindelig elektronik ligger inden for gigahertz, en milliard operationer i sekundet. Denne metode er en million gange hurtigere, "sagde Mackillo Kira, U-professor i elektroteknik og datalogi.

Han ledede den teoretiske del af undersøgelsen, at blive offentliggjort i tidsskriftet Natur , samarbejde med fysikere ved universitetet i Marburg i Tyskland. Eksperimentet blev udført på universitetet i Regensburg i Tyskland.

Quantum computing kan løse problemer, der tager for lang tid på konventionelle computere, fremskridt inden for områder som kunstig intelligens, vejrudsigter og lægemiddeldesign. Kvantecomputere får deres magt fra den måde, hvorpå deres kvantemekaniske bits, eller qubits, er ikke kun 1'er eller 0'er, men de kan være blandinger - kendt som superpositioner - af disse tilstande.

"I en klassisk computer, hver bitkonfiguration skal gemmes og behandles en efter en, mens et sæt qubits ideelt kan gemme og behandle alle konfigurationer med en kørsel, "Sagde Kira.

Det betyder, at når du vil se på en masse mulige løsninger på et problem og finde den bedste pasform, quantum computing kan få dig meget hurtigere dertil.

Men qubits er svære at lave, fordi kvantetilstande er ekstremt skrøbelige. Den vigtigste kommercielle rute, forfulgt af virksomheder som Intel, IBM, Microsoft og D-Wave, bruger superledende kredsløb-trådsløjfer afkølet til ekstremt kolde temperaturer (-321 ° F eller mindre), hvor elektronerne holder op med at kollidere med hinanden og i stedet danner delte kvantetilstande gennem et fænomen kendt som koherens.

I stedet for at finde en måde at hænge på en kvantetilstand i lang tid, den nye undersøgelse viser en måde at udføre behandlingen på, før staterne falder fra hinanden.

"I det lange løb, vi ser en realistisk chance for at introducere kvanteinformationsenheder, der udfører operationer hurtigere end en enkelt svingning af en lysbølge, "sagde Rupert Huber, professor i fysik ved University of Regensburg, der ledede forsøget. "Materialet er relativt let at lave, det fungerer i stuetemperatur luft, og kun få atomer tykke, det er maksimalt kompakt. "

Materialet er et enkelt lag wolfram og selen i et bikagegitter. Denne struktur producerer et par elektrontilstande kendt som pseudospiner. Det er ikke elektronens spin (og selv da, fysikere advarer om, at elektroner ikke rent faktisk drejer), men det er en slags vinkelmoment. Disse to pseudospins kan kode 1 og 0.

Hubers team stødte elektroner ind i disse tilstande med hurtige impulser af infrarødt lys, varer kun et par femtosekunder (femtonedele af et sekund). Den indledende puls har sit eget spin, kendt som cirkulær polarisering, der sender elektroner ind i en pseudospintilstand. Derefter, lyspulser, der ikke har et spin (lineært polariseret) kan skubbe elektronerne fra den ene pseudospin til den anden - og tilbage igen.

Ved at behandle disse tilstande som almindelige 1 og 0, det kunne være muligt at oprette en ny slags "lightwave" computer med de millioner gange hurtigere clockhastigheder, som Kira nævnte. Den første udfordring langs denne rute vil være at bruge et tog af laserpulser til at "vende" pseudospinerne efter behag.

Men elektronerne kan også danne superpositionstilstande mellem de to pseudospiner. Med en række pulser, det bør være muligt at foretage beregninger, indtil elektronerne falder ud af deres sammenhængende tilstand. Teamet viste, at de hurtigt kunne vende en qubit til at udføre en række operationer - grundlæggende det er hurtigt nok til at fungere i en kvanteprocessor.

I øvrigt, elektronerne sender konstant lys ud, der gør det let at læse en qubit uden at forstyrre dens sarte kvantetilstand. Cirkulær polarisering med uret angiver en pseudospintilstand, mod uret den anden.

De næste trin mod kvanteberegning vil være at få to qubits i gang på én gang, nær nok til hinanden, at de interagerer. Dette kan indebære stabling af de flade ark af halvleder eller brug af nanostruktureringsteknikker til at afskærme qubits inden for et enkelt ark, for eksempel.