《Nature》：僅需一束激光，計算機速度有望能再快100萬倍

我們用過的所有計算機，包括計算器、個人電腦和智能手機，本質上都是圖靈機，只會進行二進位運算。從解決複雜的數學問題到遊戲畫面的渲染，這些問題最終被計算機分解成一大串複雜的「 0 」和「 1 」操作。在 2018 年，一個普通的計算機晶元可以每秒進行 10 億次這樣的操作。

傳統計算機晶元用電壓驅動晶體管開合，而新計算機模型創新性地採用了激光脈衝驅動晶格中的電子，使其快速轉變狀態，從而實現從「 0 」到「 1 」的轉變。這項研究發表在了 5 月 2 日的《自然》雜誌上。研究人員用一束紅外激光脈衝照射由鎢和硒組成的六角蜂窩晶體, 使得該晶體中的電子以每秒 1000 兆(1015)次的速度在「0」和「1」狀態下切換，比晶體管還要快 100 萬倍。

在大部分分子結構中，激發態電子可以處於不同的量子態，即所謂「贗自旋」。為了方便理解，我們把不同的量子態想像成圍繞分子的幾條不同的跑道，而電子量子態的轉變，就是電子在不同的跑道上來回切換。研究人員稱跑道為「谷( valley )」，把對跑道上電子的操作稱為「谷電子( valleytronics )」。處於基態的電子會在離核最近的跑道上運動，被激光照射後，電子躍遷到了激發態上，即切換到了外一層能量更高的跑道。通常電子會迅速落回到能量更低的基態跑道上，並釋放出光子。據論文中稱，這個時間非常短，只有幾個飛秒。1飛秒是1秒的千萬億分之一，這麼短的時間，還不夠光穿過一個紅細胞。

電子在六角蜂窩晶格中的行為與分子中相似。鎢硒六角蜂窩晶體結構中，電子只有兩個激發態，對應的兩個能量較高的跑道。研究人員用一束偏振紅外激光照射晶格後，電子被激發到了能量較高的外層跑道上。這本身沒有什麼特別的，但關鍵的一步來了，在電子落回基態跑道之前，激光的偏振方向發生了改變，電子又跳到了另一個激發態的跑道上面。聽著是不是有點熟悉，如果把第一個跑道視作 「 0 」，第二個跑道視作「 1 」，電子在兩條跑道上切換實際上就完成了一次「 0 」和「 1 」翻轉。這正是傳統計算機晶元中晶體管的一次開合，而這種特殊材料中電子的轉換速度比晶體管的開合速度要快得多。

研究人員還探討了室溫量子計算的可能性。疊加態是量子計算機的基礎，理論上講，鎢硒六角蜂窩晶體中的電子可以處於兩種激發態的疊加，這就使用該系統進行量子計算成為了可能。目前的量子計算機需要把溫度降到絕對零度附近，但是這個技術在室溫就能進行。一旦成功實現電子的疊加態，這將會是量子計算里程碑式的突破。

「在未來，製造一種超高速量子信息設備是可行的，這種設備可以在光波振動的瞬間完成狀態翻轉」，這項研究的領導者、雷根斯堡大學物理系教授 Ruper Huber 在一份聲明中說，他同時也是。儘管未來風光無限，目前為止這個設想還停留在理論階段。事實上，研究人員在這個系統上實現的僅僅是無序的，不包含任何信息的 0-1 翻轉，離實現真正的「計算」還有很長的路要走，更不用說實質的運算了。

儘管如此，這仍然是一次從電驅動到光碟機動的大膽嘗試，而它潛在的超速運算能力和實現室溫量子運算的可能性，都為下一代超速運算開闢了一個新的方向。

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