أجهزة كمبيوتر ليزر

تردد الساعة 1 جيجاهرتز في المعالجات هو مليار عملية في الثانية. كثيرًا ، لكن أفضل النماذج المتاحة حاليًا للمستهلك العادي تحقق بالفعل عدة مرات. ماذا لو تسارعت ... مليون مرة؟

هذا ما تعد به تقنية الحوسبة الجديدة ، باستخدام نبضات ضوء الليزر للتبديل بين الحالتين "1" و "0". هذا يتبع من عملية حسابية بسيطة كوادريليون مرة في الثانية.

في التجارب التي أجريت في 2018 ووصفت في مجلة Nature ، أطلق الباحثون أشعة ليزر تحت حمراء نابضة على صفائف قرص العسل من التنجستن والسيلينيوم (1). تسبب هذا في تبديل حالة الصفر وواحد في شريحة السيليكون المدمجة ، تمامًا كما هو الحال في معالج الكمبيوتر التقليدي ، أسرع بمليون مرة فقط.

كيف حدث هذا؟ يصفه العلماء بيانياً ، موضحين أن الإلكترونات الموجودة في أقراص العسل المعدنية تتصرف "بغرابة" (وإن لم يكن بنفس القدر). متحمس ، هذه الجسيمات تقفز بين حالات كمية مختلفة ، أطلق عليها المجربون "الغزل الزائف ».

قارن الباحثون هذا بالمطاحن المبنية حول الجزيئات. يسمون هذه المسارات "الوديان" ويصفون التلاعب في حالات الغزل هذه على أنها "فاليترونيكس » (S).

نبضات الليزر تثير الإلكترونات. اعتمادًا على قطبية نبضات الأشعة تحت الحمراء ، فإنها "تحتل" أحد "الوديان" المحتملين حول ذرات الشبكة المعدنية. تقترح هاتان الحالتان على الفور استخدام هذه الظاهرة في منطق الكمبيوتر صفر واحد.

قفزات الإلكترون سريعة للغاية ، في دورات فيمتوثانية. وهنا يكمن سر السرعة المذهلة للأنظمة الموجهة بالليزر.

بالإضافة إلى ذلك ، يجادل العلماء بأنه بسبب التأثيرات الجسدية ، فإن هذه الأنظمة موجودة بمعنى ما في كلتا الحالتين في نفس الوقت (تراكب) ، مما يخلق فرصًا لـ يؤكد الباحثون أن كل هذا يحدث في درجة حرارة الغرفةبينما تتطلب معظم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية أنظمة من البتات كي يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.

قال الباحث في بيان: "على المدى الطويل ، نرى إمكانية حقيقية لإنشاء أجهزة كمية تؤدي عمليات أسرع من التذبذب الفردي لموجة ضوئية". روبرت هوبرأستاذ الفيزياء بجامعة ريجنسبورج بألمانيا.

ومع ذلك ، لم يجر العلماء بعد أي عمليات كمية حقيقية بهذه الطريقة ، لذا فإن فكرة تشغيل الكمبيوتر الكمومي في درجة حرارة الغرفة تظل نظرية بحتة. الأمر نفسه ينطبق على قوة الحوسبة العادية لهذا النظام. تم عرض عمل التذبذبات فقط ولم يتم إجراء أي عمليات حسابية حقيقية.

تم بالفعل تنفيذ تجارب مماثلة لتلك المذكورة أعلاه. في عام 2017 ، تم نشر وصف للدراسة في مجلة Nature Photonics ، بما في ذلك في جامعة ميشيغان بالولايات المتحدة الأمريكية. هناك ، تم تمرير نبضات من ضوء الليزر لمدة 100 فيمتوثانية عبر بلورة أشباه الموصلات ، للتحكم في حالة الإلكترونات. كقاعدة عامة ، كانت الظواهر التي تحدث في بنية المادة مماثلة لتلك التي تم وصفها سابقًا. هذه هي العواقب الكمومية.

رقائق خفيفة وبيروفسكايت

يفعل "أجهزة كمبيوتر الليزر الكمي » يعامل بشكل مختلف. في أكتوبر الماضي ، أظهر فريق بحث أمريكي ياباني وأسترالي نظامًا حسابيًا خفيف الوزن. بدلاً من الكيوبتات ، يستخدم الأسلوب الجديد الحالة الفيزيائية لأشعة الليزر والبلورات المخصصة لتحويل الحزم إلى نوع خاص من الضوء يسمى "الضوء المضغوط".

لكي تُظهر حالة الكتلة إمكانات الحوسبة الكمومية ، يجب قياس الليزر بطريقة معينة ، ويتم تحقيق ذلك باستخدام شبكة متشابكة كميًا من المرايا وبواعث الأشعة والألياف الضوئية (2). يتم تقديم هذا النهج على نطاق صغير ، والذي لا يوفر سرعات حسابية عالية بما فيه الكفاية. ومع ذلك ، يقول العلماء إن النموذج قابل للتطوير ، ويمكن أن تحقق الهياكل الأكبر في النهاية ميزة كمية على النماذج الكمية والثنائية المستخدمة.

2. أشعة الليزر تمر عبر شبكة مرايا متشابكة

تلاحظ Science Today أنه "في حين أن المعالجات الكمومية الحالية مثيرة للإعجاب ، فمن غير الواضح ما إذا كان يمكن تحجيمها إلى أحجام كبيرة جدًا". نيكولاس مينيكوتشي، باحث مساهم في مركز الحوسبة الكمية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T) في جامعة RMIT في ملبورن ، أستراليا. "يبدأ نهجنا بقابلية التوسع القصوى المضمنة في الشريحة منذ البداية لأن المعالج ، المسمى بحالة الكتلة ، مصنوع من الضوء."

هناك حاجة أيضًا لأنواع جديدة من الليزر للأنظمة الضوئية فائقة السرعة (انظر أيضًا :). أفاد علماء من جامعة الشرق الأقصى الفيدرالية (FEFU) - جنبًا إلى جنب مع زملائهم الروس من جامعة ITMO ، وكذلك علماء من جامعة تكساس في دالاس والجامعة الوطنية الأسترالية - في مارس 2019 في مجلة ACS Nano أنهم طوروا طريقة فعالة وسريعة ورخيصة للإنتاج ليزر البيروفسكايت. ميزتها عن الأنواع الأخرى هي أنها تعمل بشكل أكثر ثباتًا ، وهو أمر ذو أهمية كبيرة للرقائق الضوئية.

"توفر تقنية طباعة ليزر الهاليد لدينا طريقة بسيطة واقتصادية وعالية التحكم لإنتاج مجموعة متنوعة من ليزر البيروفسكايت بكميات كبيرة. من المهم أن نلاحظ أن تحسين الهندسة في عملية الطباعة بالليزر لأول مرة يجعل من الممكن الحصول على ميكروليزر بيروفسكايت أحادي الوضع ثابت (3). وأوضح أليكسي جيشينكو ، الباحث في مركز FEFU ، في المنشور:

3. أشعة الليزر بيروفسكايت

بالطبع ، لن نرى أجهزة الكمبيوتر الشخصية "تسير على الليزر" قريبًا. حتى الآن ، التجارب الموصوفة أعلاه هي أدلة على المفهوم ، وليست نماذج أولية لأنظمة الحوسبة.

ومع ذلك ، فإن السرعات التي توفرها أشعة الليزر والضوء مغرية للغاية بالنسبة للباحثين ، ثم المهندسين ، لرفض هذا المسار.