Računalniki na osnovi polprevodnikov bi lahko bili milijon-krat hitrejši

logo

Tehnika manipulacije elektronov s svetlobo bi lahko prinesla kvantno računanje pri sobni temperaturi.

Skupina raziskovalcev v Nemčiji in na Univerzi v Michiganu je pokazala, kako lahko infrardeči laserski impulzi v tanki polprevodniški plošči preklapljajo elektrone med dvema različnima stanjema, kar je klasično 1 in 0 v logičnih vezjih.

»Navadna elektronika v območju gigahercov omogoča eno milijardo operacij na sekundo. Ta metoda pa je milijon-krat hitrejša,« pravi Mackillo Kira, profesor elektrotehnike in računalništva.

Nova tehnika manipulacije elektronov s svetlobo bi lahko pripeljala do kvantnega računanja pri sobni temperaturi.

Ekipa raziskovalcev iz Nemčije in univerze v Michiganu je prikazala, da je s pomočjo laserskih pulzov mogoče premikati elektron v tanki plasti polprevodnika med dvemi stanji, kar nam omogoča definiranje stanja 0 in 1 in kar bi lahko uporabili kot procesorsko logiko.

Bil je vodja teoretičnega dela študije, ki bo objavljen v zborniku Nature, v sodelovanju z fiziki iz univerze Marburg v Nemčiji. Eksperiment so izvedli na univerzi Regensburg v Nemčiji.

Kvantno računalništvo bi lahko reševalo naloge, ki jih navadni računalniki rešujejo predolgo. Primeri takšnih nalog so področja umetne inteligence, napovedovanja vremena in načrtovanja zdravil. Glavni atribut kvantnih računalnikov so kvantno-mehanski biti imenovani qubiti, ki ne obstajajo le v dveh stanjih, 0 in 1, temveč kot prepletanje teh stanj, imenovanih superpozicije.

''V navadnih računalnikih mora biti vsaka konfiguracija bitov shranjena in obdelana posamično, qubiti pa lahko v pravih pogojih shranjujejo in obdelujejo vse možne konfiguracije v enem koraku, '' pravi Kira.

To pomeni, da lahko probleme, pri katerih hočemo preučiti problem z različnimi rešitvami in izbrati najboljšo, s kvantnimi računalniki rešujemo veliko hitreje.

Qubite pa je zelo težko ustvariti, ker so kvantna stanja zelo nestabilna. Trenutno večina podjetij, kot so IBM, Intel, D-Wave in Microsoft, uporablja superprevodna vezja ohlajena do izjemno nizkih temperatur (skoraj -200°C), pri katerih se prenehajo trki med elektroni. V teh pogojih atomi vstopijo v deljena kvantna stanja preko kvantnega pojava koherence. To omogoča kvantnim stanjem daljši obstoj.

Z novo metodo pa se problema lotili drugače. Namesto podaljšanja časa obstoja qubita za obdelavo, podatke v qubitu obdelajo izjemno hitro, še preden ta razpade.

''V prihodnosti pričakujemo možnost izdelave naprav, ki delujejo na osnovi qubitov in ki bi izvajale operacije hitreje od ene oscilacije svetlobnega valovanja.'' pravi Rupert Huber, profesor fizike univerze v Regensburgu, ki je vodil eksperiment. ''Uporabljen material na osnovi silicija je enostaven za izdelavo, deluje na sobni temperaturi in ne zahteva vakuuma kot prej omenjeni kvantni računalniki, debel je le nekaj atomov in je kar se da kompakten.''

Ploščica je izdelana iz tungstena in selena v mreži, ki ima obliko satnic. Ta struktura ustvari par elektronskih stanj, imenovanih pseudospina. To stanje ni povezano s spinom elektrona, ki je podobno imenovana nepovezana lastnost elektrona, temveč je sorodno kotni hitrosti. Ta par pseudospinov zakodira logično 0 in 1.

Hubrova ekipa je izzvala ta par stanj s pomočjo hitrih pulzov infrardeče svetlobe, ki so trajali le nekaj femtosekund. Prvi pulz ima določen spin, imenovan krožna polarizacija, ki postavi elektrone v enega od psevdospinskih stanj. Nato lahko te elektrone premikamo med stanjema s svetlobnimi pulzi, ki nimajo spina.

Z obravnavanjem teh stanj kot logično 0 in 1 bi bilo mogoče ustvariti novo vrsto računalnikov na osnovi svetlobnih valov z milijon-krat hitrejšim ritmom procesiranja. Vendar je prva ovira na tej poti je uporaba zaporedja laserskih pulzov za poljubno menjanje psevdospinskih stanj.

Elektroni pa se lahko prepletajo v superpozicijska stanja tudi med dvema ekstremoma psevdospinov (0 in 1). S hitrim zaporedjem pulzov naj bi jih bilo mogoče obdelati, še preden razpadejo. Ekipa je uspešno zadržala qubit dovolj dolgo, da bi nad njim lahko izvedli določeno zaporedje operacij, torej je proces dovolj hiter, da bi bil lahko uporabljen v kvantnem procesorju.

Dodatna prednost te metode je, da qubiti nenehno oddajajo polarizirano svetlobo, s pomočjo katere jih lahko preberemo brez da bi zmotili njihovo mejno stabilno kvantno stanje. Stanje qubita je določeno prek smeri, v kateri je oddana polarizirana svetloba.

Naslednji korak do uporabe v kvantnih računalnikih bo ustvarjenje dveh qubitov naenkrat, v zadostni bližini, da bosta lahko medsebojno vplivala. To bi lahko dosegli z nalaganjem plasti polprevodnika eno na drugo ali z ustreznimi nanostrukturami, ki bi izolirale par qubitov na eni sami polprevodniški plošči.

Študijo „Lightwave valleytronics v eni plasti volframovega diselenida“ so financirali Evropski raziskovalni svet in Nemška raziskovalna fundacija.

Povzeto po: https://www.rdmag.com/news/2018/05/semiconductor-computers-could-be-million-times-faster

Vir: Univerza v Michiganu

www.rdmag.com

Več o članku si preberite v PDF reviji!