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Nature:激光可让电脑提速百万倍,有室温下用于量子计算可能性

[日期:2018-05-22] 来源:新智元  作者: [字体: ]

来源:livescience

作者:小潘

【新智元导读】使用激光脉冲来制作计算的基本单元,可以以1千兆次/秒的速度在开启和关闭状态之间进行切换,这比现代计算机中的位数快大约100万倍。这项研究发表在5月2号Nature上。

每秒10亿次操作并不酷。 知道什么是酷么? 每秒高达100亿次操作。

这是对新型计算技术的一种承诺,它使用激光脉冲来制作计算的基本单元,也就是1比特,它可以以1千兆次/秒的速度在开启和关闭状态之间进行切换,或着说,在“1”和“0”的状态之间切换。 这比现代计算机中的位数快大约100万倍。

常规计算机,包括计算器、用于阅读本文的智能手机和笔记本电脑等所有设备,都以1s和0s为单位进行运作。 他们所做的一切,从解决数学问题,到表示视频游戏的世界,都是一个非常复杂的1或0的集合,或者说“是”或“不是”的集合。 2018年,一台典型的计算机可以使用硅片来执行每秒10亿次以上的操作。

在这个实验中,研究人员将红外激光脉冲照射在钨和硒的蜂窝状晶格上,使得硅芯片像普通的计算机处理器一样从“1”状态切换到“0”状态,根据在5月2号Nature上发表的文章显示,这种方式可以使计算机的速度提高上百万倍。

这是电子技术如何在蜂窝晶格中表现的技巧。

在大多数分子中,在它们周围的轨道中的电子可以跳进几种不同的量子态,或者当它们兴奋时,它们就会跳跃到“假想旋转”。可以通过假象来更好的理解这些状态,就好像分子周围本身存在一些循环的赛道。研究人员将这些赛道称为“山谷”,并将对其的操纵称为“valleytronics”。

当不受欢迎时,电子可能会靠近分子,进入一个懒惰的赛道。 但是,如果用一些方法激发那个电子,比如用闪光灯,这个操作将会消耗电子的外部轨道上的一些能量。

钨硒晶格周围只有两条轨道供激发的电子进入。 以红外光的一个方向闪烁晶格,电子将跳到第一条轨道上。 用不同的红外光定向闪光,电子会跳到另一个轨道上。 理论上,计算机可以将这些轨迹视为1和0。 当轨道1上有电子时,它就代表1。当它在轨道0上时,它就代表0。

至关重要的是,这些轨道(或山谷)紧密结合在一起,在电子在失去能量之前不需要在它们之上运行很长的时间。 根据论文中的内容显示,当用一种红外光脉冲闪烁晶格时,电子将跳到轨道1上,但是它只会在这个轨道上循环几飞秒的时间,然后返回到靠近原子核的轨道上的未激发状态。飞秒速度是千亿分之一秒,甚至不足以让一束光穿过单个红血球。

因此,电子不会长时间停留在轨道上,但是一旦它们在轨道上,额外的光脉冲将会使它们有机会回到未激励状态之前的状态,并在两个轨道之间来回变换,直到它们有机会回到那个非兴奋状态。这一切都是以一种难以置信的速度进行一遍又一遍的闪烁:1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 ,而这正是计算机的那些东西。 研究人员表示,在这类材料中,它的发生速度可能比现代芯片快得多。

研究人员还提出了他们的晶格可以在室温下用于量子计算的可能性。这是量子计算的圣杯,因为大多数现有的量子计算机都需要研究人员首先将其量子位冷却至接近绝对零度,即最冷的可能温度。研究人员表明,理论上可能激发这个晶格中的电子使其在1轨道和0轨道上“叠加”,或者同时在两条轨道上,模糊地进行模糊状态的处理,这正是量子计算的关键。

这项研究的主要作者,德国雷根斯堡大学物理学教授Rupert Huber在一份声明中表示:“从长远来看,我们看到了引入量子信息器件的实际可能性,这些器件的运行速度比单个光波的单次振荡更快。然而,研究人员实际上并没有以这种方式执行任何量子操作,所以室温量子计算机的想法仍然完全是理论上的。事实上,研究人员在其晶格上执行的经典(常规型)操作,也就是在1和0之间的来回切换,是毫无意义的。晶格仍然没有用来计算任何东西。因此,研究人员仍然必须证明它可以用于实际的计算机。

尽管如此,这个实验可以在迄今为止无法实现的情况下为超快速的传统计算,甚至是量子计算打开一个大门。

原文地址:

https://www.livescience.com/62561-laser-computer-speed-quantum.html

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0013-6

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