Komputery laserowe
Tyle właśnie obiecuje nowa technika obliczeniowa, która wykorzystuje impulsy światła laserowego przełączające się pomiędzy stanami "1" i "0". Z prostego obliczenia wychodzi biliard razy na sekundę.
W eksperymentach przeprowadzonych w 2018 r. i opisanych w "Nature" badacze kierowali pulsujące wiązki laserowe w zakresie podczerwieni na siatki w kształcie plastra miodu, wykonane z wolframu i selenu (1). Wyzwalało to w połączonym układzie krzemowym przełączenia stanów zero i jeden, tak jak w normalnym procesorze komputerowym, tylko milion razy szybciej.
Jak to się dzieje? Naukowcy opisują to obrazowo, przedstawiając elektrony w metalowych plastrach, zachowujące się "dziwnie" (choć dla znających mechanikę kwantową nie tak bardzo). Otóż wzbudzone, cząstki te przeskakują pomiędzy różnymi stanami kwantowymi, nazywanymi przez eksperymentatorów "pseudospinami".
Badacze porównują to do torów wyścigowych powstających wokół cząsteczek. Nazywają owe tory "dolinami", a manipulowanie tymi wirującymi stanami określają jako"dolinotronika" (valleytronics).
Elektrony są wzbudzane impulsami laserowymi. Zależnie od polaryzacji impulsów w podczerwieni, wokół atomów sieci metalowej "zajmują" jedną z dwóch możliwych "dolin". Te dwa stany natychmiast nasuwają myśl o wykorzystaniu zjawiska w zero-jedynkowej logice komputerowej.
Przeskakiwanie elektronów odbywa się niezwykle szybko, w cyklach femtosekundowych. I tu zaklęta jest tajemnica niewiarygodnej szybkości układów sterowanych laserowo.
Naukowcy twierdzą w dodatku, że dzięki efektom fizycznym układy te w pewnym sensie znajdują się w obu stanach równocześnie (superpozycja), co stwarza szanse na nowe podejście do komputera kwantowego. Badacze podkreślają, że wszystko to dzieje się w temperaturze pokojowej, podczas gdy większość istniejących komputerów kwantowych wymaga schłodzenia układów z kubitami do temperatury bliskiej zeru absolutnego.
"Na dłuższą metę widzimy realną szansę stworzenia kwantowych urządzeń, które wykonują operacje szybciej niż pojedyncza oscylacja fali świetlnej", podał w oświadczeniu prowadzący te badania Rupert Huber, profesor fizyki na Uniwersytecie w Ratyzbonie, w Niemczech.
Naukowcy nie przeprowadzili jednak na razie w ten sposób żadnych rzeczywistych operacji kwantowych, więc idea kwantowego komputera pracującego w temperaturze pokojowej pozostaje czysto teoretyczna. Podobnie zresztą, jak i potencjał obliczeń konwencjonalnych tego układu. Zademonstrowano jedynie działanie oscylacji, nie przeprowadzając żadnych realnych operacji obliczeniowych.
Podobne do opisanych eksperymenty przeprowadzono już wcześniej. W 2017 r. opublikowano w "Nature Photonics" opis badań m.in. na Uniwersytecie Michigan w USA. Impulsy światła laserowego o długości zaledwie 100 femtosekund przepuszczano tam przez kryształ półprzewodnikowy, kontrolując stan elektronów. Co do zasady, zjawiska zachodzące w strukturze materiału były podobne do tych opisanych wcześniej. I kwantowe konsekwencje również.
Chipy ze światła i perowskity
Do "kwantowych komputerów laserowych" podchodzi się na różne sposoby. W październiku ubiegłego roku amerykańsko-japońsko-australijski zespół badawczy zademonstrował świetlny układ obliczeniowy. Zamiast kubitów, nowe podejście wykorzystuje stan skupienia z wiązek laserowych i niestandardowych kryształów, które przekształcają wiązki w specjalny rodzaj światła, zwanego "światłem ściśniętym".
Aby stan klastra wykazywał kwantowy potencjał obliczeniowy, laser musi być mierzony w określony sposób, a osiąga się to poprzez splątaną kwantowo sieć luster, emiterów wiązek i włókien optycznych (2). Podejście to zaprezentowano w małej skali, która nie zapewnia wystarczająco dużych prędkości obliczeniowych. Naukowcy twierdzą jednak, że model jest skalowalny i większe struktury mogłyby ostatecznie osiągnąć kwantową przewagę nad używanymi modelami kwantowymi i binarnymi.
"Choć dzisiejsze procesory kwantowe robią wrażenie, nie jest jasne, czy da się je skalować do bardzo dużych rozmiarów", zauważa w "Science Today" Nicolas Menicucci, uczestniczący w tym projekcie badacz z Centrum Obliczeń Kwantowych i Technologii Komunikacyjnych (CQC2T) na Uniwersytecie RMIT w Melbourne w Australii. "Nasze podejście zaczyna się od ekstremalnej skalowalności, wbudowanej od samego początku w układ, ponieważ procesor, nazywany stanem klastra, jest wykonany ze światła".
Do ultraszybkich układów fotonicznych (zobacz także: Kryształ fotoniczny) potrzebne są też nowego rodzaju lasery. Naukowcy z Federalnego Uniwersytetu Dalekowschodniego (FEFU) - wraz z rosyjskimi kolegami z Uniwersytetu ITMO, a także naukowcami z Uniwersytetu Teksańskiego w Dallas oraz Australijskiego Uniwersytetu Narodowego - poinformowali w marcu 2019 r. w czasopiśmie "ACS Nano", że opracowali efektywny, szybki i tani sposób produkcji laserów opartych na perowskitach. Mają one tę przewagę nad innymi typami, że pracują stabilniej, co dla chipów optycznych ma duże znaczenie.
"Nasza technologia druku laserowego w materiale halogenkowym zapewnia prosty, ekonomiczny i wysoce kontrolowany sposób masowej produkcji różnych perowskitowych laserów. Co ważne, optymalizacja geometrii w procesie drukowania laserowego pozwala po raz pierwszy osiągnąć stabilne jednomodowe mikrolasery perowskitowe (3). Takie lasery są obiecujące przy tworzeniu różnych urządzeń optoelektronicznych i nanofotonicznych, czujników itp.", wyjaśnił w publikacji Aleksiej Żyszczenko, pracownik naukowy centrum FEFU.
Oczywiście nie zobaczymy szybko komputerów osobistych „chodzących na laserach”. Opisywane wyżej eksperymenty to na razie raczej dowody koncepcji, nawet nie prototypy układów obliczeniowych.
Jednak szybkości oferowane przez światło i wiązki laserowe są zbyt kuszące, aby badacze, a za nimi inżynierowie, porzucili tę ścieżkę.
