Lasery by mohly milionkrát zrychlit polovodičové počítače  
Šikovná manipulace laserovými paprsky vymáčkne z elektronů v polovodičích neuvěřitelné věci. Mohly by i zkvantovatět, což by přivedlo kvantové výpočty do pokojové teploty. Nastupuje valleytronika!
Světelná magie v elektronice. Kredit: Stephen Alvey, Michigan Engineering.
Světelná magie v elektronice. Kredit: Stephen Alvey, Michigan Engineering.

Polovodičové počítače nejsou špatné. Dovedou spoustu věcí. Jsou rychlé. Ale víme, že by mohly být ještě mnohem rychlejší. Názorně to předvedl mezinárodní tým vědců, který vedl fyzik Rupert Huber z Univerzity v Řezně. Pomocí pulzů infračerveného laseru manipulovali s elektrony v tenké vrstvě polovodiče a mohli měnit jeden jejich specifický stav mezi dvěma polohami, které označili 0 a 1.


Vtip je v tom, že běžná elektronika dělá podobné věci na frekvenci gigahertzů, tedy v řádu miliard operací za sekundu. Jak říká člen badatelského týmu Mackillo Kira z Michiganské univerzity, jejich metoda s laserem je milionkrát rychlejší. Jejich výzkum

Rupert Huber. Kredit: Universität Regensburg
Rupert Huber. Kredit: Universität Regensburg

nejspíš nemohl skončit jinde, než v časopisu Nature.

 

V dnešní době se už všichni těší na kvantové počítače. Mohly by řešit problémy, které jsou pro křemíkové počítače příliš komplexní, počínaje pokročilou umělou inteligencí, až po výzkum struktury léčiv nebo předpovídání počasí. Kvantové počítače nejsou omezovány nulami a jedničkami, ale mohou využívat qubity, které zahrnují superpozice, tedy stavy tak trochu mezi 0 a 1. V některých typech výpočtů by kvantové počítače měly být fantasticky rychlé.

Ilustrace pseudospinů elektronů. Kredit: Stefan Schlauderer / Universität Regensburg.
Ilustrace pseudospinů elektronů. Kredit: Stefan Schlauderer / Universität Regensburg.


Jenže qubity jsou také extrémně křehké. Vývojáři kvantových počítačů od Intelu, IBM nebo Microsoftu používají supravodivé komponenty, které fungují jen za velice nízkých teplot. Jen tak v nich udrží elektrony ve stavu kvantové koherence. Huber a spol. se nesnaží udržet kvantové stavy po dlouhou dobu, ale snaží se do děje zasáhnout předtím, než se kvantové stavy zhroutí.

 

Podle Hubera je realistická šance, že se podaří vyvinout kvantovou elektroniku, která bude operovat rychleji, než kolik činí jedna oscilace vlny záření. A jim se to slušně daří. Pracují s materiálem, který je relativně snadní vyrobit, funguje jim to při pokojové teplotě a vzhledem k tloušťce materiálu, která odpovídá pár atomům, je celá technologie velice miniaturní.


Huberův tým používá materiál z atomů wolframu a selenu, které jsou uspořádané do šestiúhelníkového vzoru v jedné vrstvě. Taková struktura vytváří specifické stavy párů elektronů, které se označují jako pseudospiny. Není to klasický spin částic, ale určitý druh momentu hybnosti elektronů. Dva stavy pseudospinu přitom odpovídají nule a jedničce.


Badatelé působili na elektrony v tomto materiálu femtosekundovými, tedy extrémně rychlými pulzy infračerveného laseru. První pulz laseru nastavil elektrony do jednoho ze dvou stavů pseudospinu. Další pulzy laseru pak mohly elektrony přenastavit do druhého ze stavů a pak zase zpátky.


Pokud by někdo vyrobil počítač, který bude tuto technologii využívat k výpočtům, tak by byl asi tak milionkrát rychlejší, nežli soudobé počítače. Ještě lepší je, že vhodnými laserovými pulzy by bylo možné zapojit elektrony do výpočtů ve stavech superpozice. Experimenty ukazují, že by pak taková technologie deformace elektronové struktury, označovaná jako valleytronika, mohla fungovat jako kvantový procesor při pokojové teplotě. 

Video:  Lightwave Valleytronics: Using Electron Momentum in 2-D Semiconductors


Video:  2DCC-MIP Topical Valleytronics Bilayer Graphene Webinar Nov. 2017


Literatura
University of Michigan 3. 5. 2018, Nature 557: 76–80.

Datum: 17.05.2018
Tisk článku

Související články:

Dvourozměrný cín novým zázračným materiálem     Autor: Stanislav Mihulka (25.11.2013)
Mnohobarevné fotony mohou změnit vývoj kvantové elektroniky     Autor: Stanislav Mihulka (01.07.2017)
Švýcarští vědci zvládli rekordní simulaci 45-qubitových kvantových výpočtů     Autor: Stanislav Mihulka (06.07.2017)



Diskuze:

Milionkrát ???

Ladislav Žahour,2018-05-17 21:48:35

Mám vážné pochyby o reálnosti tohoto čísla. Někde jsem viděl článek na stejné téma , který uváděl tisíckrát. Přenos informací mezi částmi počítače bude nadále limitován rychlostí světla. Jediné co by se mohlo radikálně zrychlit, je teoretický zápis do paměťové buňky.

Správně tedy jde o teoretické zrychlení paměti.

Odpovědět


Re: Milionkrát ???

Fanda Sin,2018-05-18 11:29:40

Ono by to šlo pravděpodobně využít i v/místo "polovodičových" prvků, takže by z toho mělo jít udělat hradla.
Alespoň tak jsem pochopil článek.

Milionkrát se zdá opravdu hodně, ale možná že to není až tak nereálné. (teď pevně doufám, že jsem neudělal nějakou školáckou chybu, pokud ano, alespoň se poučím :) )

Vzhledem k tomu, že jsme nyní někde okolo 4GHz (vím, existují i rychlejší, speciální procesory, ale uvažujme "běžné/lepší" Intel/AMD/IBM)
10^9 (GHz)* 10^6 (milion) = 10^15 Hz. (zanedbal jsem 4*, ale to už takový rozdíl nebude ;) )
To by mělo odpovídat 1/10^15 s ~= femto sekunda na jeden takt, což by odpovídalo femto sekundovému laseru.
Je otázka jak by se šířil signál pokud to nebude jen jeden jediný přepínač, ale bude z toho nějaké "hradlové pole".
Tam bych už problémy očekával a řekl bych, že rychlost klesne (například problémy s přehříváním prvků hradla), ale zde pouze hádám.

Odpovědět


Re: Re: Milionkrát ???

Alexandr Kostka,2018-05-19 12:32:29

Mě se nezdá ani údaj o velikosti. Je fajn, že je "tranzistor" o velikosti několika atomů, ale laserový zdroj k němu je určitě "trošku" větší. A pak máte problém v rychlosti přenosu informace z paměti do procesoru. Jedno jestli elektricky nebo světlem, stejně je tam problémem "pomalá" rychlost světla. Kvůli tomu, že jádro často čeká na data a je nečinné zavedl kdysi Intel a nyní i AMD hyper threading, ale nedávno jsem potkal článek popisující, že i tak je dnes situace skoro stejná jako před lety. Desítky procent času výpočetní jádro jen čeká na data.

Odpovědět


Re: Milionkrát ???

Florian Stanislav,2018-05-18 11:31:05

Četl jsem 1000 x zrychlení díky antiferomagnetismu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace