Lasrar kan göra datorer 1 miljon gånger snabbare

En miljard operationer per sekund är inte cool. Vet du vad är coolt? En miljon miljarder operationer per sekund.

Det är löfte om en ny datorteknik som använder laserljuspulser för att göra en prototyp av den grundläggande datorenheten, kallad lite, som kan växla mellan dess på och av, eller "1" och "0", 1 kvadriljon gånger per sekund. Det är ungefär 1 miljon gånger snabbare än bitarna i moderna datorer.

Konventionella datorer (allt från din räknemaskin till smarttelefonen eller bärbara datorn du använder för att läsa detta) tänker i termer av 1s och 0s. Allt de gör, från att lösa matematiska problem, till att representera världen för ett videospel, utgör en mycket detaljerad samling av 1-eller-0, ja-eller-nej operationer. Och en typisk dator 2018 kan använda kiselbitar för att utföra mer eller mindre en miljard av dessa operationer per sekund. [Science Fact eller Fiction? Tänkbarheten hos 10 vetenskapliga koncept]

I detta experiment pulserade forskarna infrarött laserljus på bikakeformade galler av volfram och selen, vilket gjorde att kiselchipet kan växla från "1" till "0" tillstånd precis som en vanlig dataprocessor - bara en miljon gånger snabbare, enligt studien, som publicerades i Nature den 2 maj.

Det är ett trick för hur elektroner beter sig i det bikakegitteret.

I de flesta molekyler kan elektronerna i omloppsbana kring dem hoppa till flera olika kvanttillstånd eller "pseudospiner" när de blir upphetsade. Ett bra sätt att föreställa sig dessa tillstånd är lika annorlunda och slingras banor runt själva molekylen. (Forskare kallar dessa spår "dalar" och manipulationen av dessa snurr "daltronik.")

När den inte är upphetsad kan elektronen stanna nära molekylen och vända sig i lata cirklar. Men väcka den elektronen, kanske med en ljusblink, och den kommer att behöva bränna bort lite energi på ett av de yttre spåren.

Volfram-selen-gitteret har bara två spår runt det för upphetsade elektroner att komma in. Blinka gitteret med en orientering av infrarött ljus, och elektronen hoppar på det första spåret. Blinka den med en annan orientering av infrarött ljus, och elektronen hoppar på det andra spåret. En dator kan i teorin behandla dessa spår som 1s och 0s. När det finns en elektron på spår 1 är det en 1. När den är på spår 0 är det en 0.

Av avgörande betydelse är dessa spår (eller dalar) på nära håll, och elektronerna behöver inte köra på dem så länge innan de tappar energi. Pulsera gitteret med infrarött ljus typ en, och en elektron hoppar på spår 1, men det kommer bara att cirka det under "några femtosekunder", enligt tidningen, innan han återvänder till sitt oupplysta tillstånd i orbitalerna närmare kärnan. Ett femtosekund är tusen miljoner miljoner sekund, inte ens tillräckligt länge för att en ljusstråle ska korsa en enda röd blodcell.

Så elektronerna stannar inte längre på banan, men när de väl är på ett spår kommer ytterligare ljuspulser att slå dem fram och tillbaka mellan de två spåren innan de har en chans att falla tillbaka till ett oupplöst tillstånd. Den fram och tillbaka skysningen, 1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 - om och om igen i otroligt snabba blinkningar - är datorns grejer. Men i den här typen av material, visade forskarna, kunde det hända mycket snabbare än i samtida chips.

Forskarna tog också upp möjligheten att deras gitter kan användas för kvantberäkning vid rumstemperatur. Det är en slags helig gral för kvantberäkning, eftersom de flesta befintliga kvantdatorer kräver att forskare först kyler sina kvantbitar till nästan absolut noll, den kallaste möjliga temperaturen. Forskarna visade att det teoretiskt är möjligt att väcka elektronerna i detta galler till "superpositioner" av 1 och 0 spåren - eller tvetydiga tillstånd att vara typ av fuzzily på båda spåren på samma gång - som är nödvändiga för kvantberäkningsberäkningar.

"På lång sikt ser vi en realistisk chans att införa kvantinformationsenheter som utför operationer snabbare än en enda svängning av en ljusvåg," säger studieförfattaren Rupert Huber, professor i fysik vid University of Regensburg i Tyskland, i ett uttalande . Men forskarna utförde faktiskt inga kvantiteter på detta sätt, så idén om en rumstemperaturkvantdator är fortfarande helt teoretisk. Och i själva verket var de klassiska (reguljära) operationerna som forskarna utförde på sitt gitter bara meningslösa, fram och tillbaka, 1-och-0-växling. Gitteret har fortfarande inte använts för att beräkna någonting. Således måste forskare fortfarande visa att det kan användas i en praktisk dator.

Fortfarande skulle experimentet kunna öppna dörren till ultrasnabb konventionell databehandling - och kanske till och med kvantberäkning - i situationer som det var omöjligt att uppnå fram till nu.