快十萬倍！飛秒激光脈衝技術將帶來超高速量子計算機

導讀

最近，一組國際科學家團隊發明了一種超短、可配置的「飛秒激光脈衝」，此舉有望使得未來計算機速度比當今電子設備快十萬倍。

一種半導體晶體顯示出一種史無前例的能力，形成超短激光脈衝。

（圖片來源於：雷根斯堡大學 / 雷根斯堡大學）

研究簡介

密歇根大學工程師團隊的研究顯示：「他們能控制激光脈衝內的峰值，並且扭曲光線」。

這種創新方法依靠「量子狀態」的效應，比傳統的電流形式的電子移動更加快速高效。研究團隊成員、電氣工程和計算機科學系的教授 Mackillo Kira 稱，這項研究進展向著「光波電子學」邁出了重要的一步，有望在遙遠的未來，實現量子計算機。

光波電子學

例如，在計算機半導體中移動的電子，有時會偶遇其他電子，並且以熱量的形式釋放能量。但是，「光波電子學」的概念卻認為電子可以通過超高速激光脈衝引導。也許，你會認為駕駛員開車的速度越快，越容易碰上其他東西。但是，高速運動的電子卻不同，它的傳輸時間會更短，所以很難碰上其他東西。

雷根斯堡大學物理系教授 Rupert Huber 領導了這一實驗，他說：

「在過去幾年，我們和其他研究小組發現，超短激光脈衝的振蕩電場，實際上可在固體中前後移動電子。每個人都立即感到十分興奮，因為這個原理可用於構建未來計算機，這種計算機可以運行在史無前例的時鐘頻率下，速度是現在最先進的電子產品的十到十萬倍。」

具體原理

但是首先，研究人員要能夠控制半導體中的電子。這項研究使用「太赫茲輻射」（微波和紅外線之間的電磁光譜部分），移動半導體晶體內部的電子，以達到這個目標。

研究人員將激光脈衝發射到半導體硒化鎵晶體的內部。這些脈衝持續時間十分短，不到100飛秒，即100個千萬億分之一秒。每個脈衝將半導體中的電子推向更高的能級，這意味著它們能夠自由移動並推進它們。半導體晶體相對於脈衝具有不同的方向，所以電子通過晶體時，會向不同方向移動。例如，他們會沿著原子鍵，或者在原子鍵之間移動。

雷根斯堡大學物理系的博士研究生 Fabian Langer 說：

「對於電子來說，不同的能量地貌從一個晶體方向上，可以被看成平直的大街，但是從其他的方向來看，會變成一個斜面。這意味著電子不再按照激光場的方向移動，而是根據微觀環境自己移動。」

當電子從更高能級下來的時候，會發射出光線，它們不同的移動軌跡會在脈衝中反應出來。它們會發射出一種脈衝，比進來的電磁輻射更短。這些光線爆發的時間只有幾個飛秒。

在晶體內部，當它們在原子間移動時，能足夠快速地獲取其他電子的快照，並且它們也可以用於讀取和寫入電子的信息。所以，研究人員需要能夠控制這些脈衝，然而晶體可以提供一些列的工具。

Kira 的團隊和德國馬爾堡大學的科研人員一起合作進行了研究。對於這個實驗，他解釋道：

「這些脈衝中快速的振蕩就像手指一樣。我們通過旋轉晶體，很容易地就可以改變手指的位置。」

這種晶體是否扭曲發射出的光波，卻決於它相對於入射激光脈衝的方向。

量子計算機

因為飛秒脈衝的速度足夠快，以至於能夠攔截到進入激發態和脫離這個狀態之間的電子。所以，它們可潛在應用於使用電子激髮狀態作為量子比特的量子計算機。

Kira 說：

「例如，這裡我們能夠同時以兩種激發途徑激發一個電子，傳統意義上來說這是不可能的。這就是量子世界。在量子世界中，奇怪的事情發生了。」

電子的尺寸足夠小，且具有波粒二象性。當它在激發態時，波長會改變。因為電子會同時處於兩種激發態，這兩種波長會相互干擾，在電子發出的飛秒脈衝中留下痕迹。

Kira 說：

「這種巨大的量子效應可以通過飛秒脈衝觀察到，作為一種新型、可控的振蕩頻率和方向。這是當然是基礎物理學，同樣你也可以利用這個概念優化化學反應。你可以通過量子密碼學的新途徑，安全地獲取存儲信息或者發送信息。」

對於使用頻閃的慢動作攝像頭，揭示自然中最快速的過程，例如電子在原子中移動，Huber 有著特別的興趣，他說：

「我們在這個領域中，使用結晶體作為神奇的光源，使得脈衝成形具有前所未有的可能性。」

論文相關

題為《來自塊狀晶體高次諧波載體域的對稱性控制的瞬時結構》 "Symmetry-controlled temporal structure of high-harmonic carrier fields from a bulk crystal"的有關論文發表於《自然光子學》雜誌上，研究由歐洲研究委員會和德國研究基金會贊助。

參考資料

【1】http://www.ns.umich.edu/new/releases/24654-ultrashort-light-pulses-for-fast-lightwave-computers

【2】F. Langer, M. Hohenleutner, U. Huttner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber.Symmetry-controlled temporal structure of high-harmonic carrier fields from a bulk crystal. Nature Photonics, 2017; DOI: 10.1038/nphoton.2017.29

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