激光可以使計算機快100萬倍
每秒10億次的運算並不酷。知道什麼是酷？每秒運算100億次。這是一種新的計算技術的承諾，它利用激光光脈衝來製造一個基本的計算單元的原型，叫做bit，可以在它的開關之間切換，或者「1」和「0」狀態，每秒1千萬億次。這比現代計算機中的比特快100萬倍。傳統的電腦(從計算器到智能手機或筆記本電腦的所有東西)都用1和0來表示。
渲染顯示偏振光與蜂窩狀晶格相互作用。圖片：Stephen Alvey, Michigan Engineering
做的每一件事，從解決數學問題，到代表一個電子遊戲的世界，都是一個非常精緻的集合，1- 0，和-或-沒有操作。一個典型的計算機在2018年可以使用矽片來完成大約10億次每秒的運算。在這個實驗中，研究者脈衝紅外激光鎢和硒蜂巢形晶格,使矽片開關從「1」到「0」狀態就像普通計算機處理器——只有快一百萬倍，項研究發表在《自然》雜誌上。這是電子在蜂巢晶格中的表現。在大多數分子中，軌道周圍的電子可以躍遷到幾個不同的量子態，或者當它們變得興奮時，它們可以跳躍到「psuedo」。
一種很好的方法來想像這些狀態是不同的，循環的跑道圍繞著分子本身。(研究人員稱這些軌跡為「山谷」，並操縱這些旋轉的「valleytronics」。)當不活躍的時候，電子可能會停留在分子的附近，變成一個懶惰的圓圈。但是激發那個電子，也許是帶著一束光，它就需要消耗掉外層軌道上的一些能量。鎢硒晶格只有兩個軌道圍繞它，以激發電子進入。用紅外光的一個方向閃過晶格，電子就會跳到第一個軌道上。用不同的紅外光來照亮它，電子就會跳到另一個軌道上。
從理論上講，計算機可以把這些軌道看成1和0。軌道1上有一個電子，這是1。當它在軌道0上時，這是0。至關重要的是，這些軌道(或山谷)是緊密相連的，而電子在失去能量之前不需要在它們上面運行很長時間。根據這篇論文，用紅外光一種的脈衝點陣，電子會跳到軌道1上，但它只會繞著軌道旋轉「幾飛秒」，然後回到它在靠近原子核的軌道上的未激發態。飛秒是一秒的千萬分之一秒，甚至連一束光都不足以穿過一個紅血球。
所以，電子不會停留在軌道上，但是一旦它們在軌道上，額外的光脈衝就會在兩個軌道之間來回碰撞，然後才有機會回到不受刺激的狀態。這種來回衝撞，1-0-1- 0-1-0-1- 0-0-0-1 -0-1-0-1- 0-1-0-1- 0-1-0-1- 0-1-0-1- 0-1-0-1- 0-1-0-1- 0-1-但研究人員發現，在這種材料中，它的發生速度可能比現代晶元快得多。研究人員還提出了一種可能性，即它們的晶格可以在室溫下用於量子計算。這是量子計算的一種聖杯，因為大多數現有的量子計算機需要研究人員先把他們的量子比特冷卻到接近絕對零度，最冷的可能溫度。
研究人員表明，理論上可以使這個晶格中的電子激發到1和0軌道上的「疊加」——或者是在兩個軌道上同時模糊的模糊狀態——這對於量子計算是必要的。德國雷根斯堡大學的物理學教授魯伯特·胡貝爾在一份聲明中說：從長遠來看，我們看到了一個現實的機會，即引進量子信息設備，其運行速度要比光波的單一振動快。然而研究人員並沒有以這種方式實際執行任何量子操作，因此，室溫量子計算機的概念仍然是完全理論的。
事實上，研究人員在他們的格子上進行的經典的(常規的)操作只是無意義的，來回的1- 0轉換。晶格仍然沒有被用來計算任何東西。因此，研究人員仍然需要證明它可以在實際的計算機中使用。儘管如此，這個實驗可能會打開一扇門，讓超快的傳統計算——甚至可能是量子計算——在不可能實現的情況下實現。
博科園-科學科普｜文：Rafi Letzter/Live Science
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