Η προσομοίωση πολύπλοκων επιστημονικών μοντέλων στον υπολογιστή ή η επεξεργασία μεγάλου όγκου δεδομένων, όπως η επεξεργασία υλικού βίντεο, απαιτεί σημαντική υπολογιστική ισχύ και χρόνο. Ερευνητές από την Έδρα της Φυσικής Λέιζερ στο Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) και μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη απέδειξαν πώς η ταχύτητα των θεμελιωδών υπολογιστικών λειτουργιών θα μπορούσε να αυξηθεί στο μέλλον έως και ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στις 11 Μαΐου 2022 στο περιοδικό Nature .
Η υπολογιστική ταχύτητα των σημερινών επεξεργαστών υπολογιστών και smartphone δίνεται από τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Στον ανταγωνισμό για την παραγωγή πιο γρήγορων συσκευών, το μέγεθος αυτών των τρανζίστορ μειώνεται συνεχώς για να χωρέσει όσο το δυνατόν περισσότερα μαζί σε τσιπ. Οι σύγχρονοι υπολογιστές λειτουργούν ήδη με την εκπληκτική ταχύτητα πολλών gigahertz, που μεταφράζεται σε αρκετά δισεκατομμύρια υπολογιστικές λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Τα πιο πρόσφατα τρανζίστορ έχουν μέγεθος μόνο 5 νανόμετρα (0,000005 χιλιοστά), που ισοδυναμεί με όχι πολύ περισσότερα από μερικά άτομα. Υπάρχουν όρια στο πόσο μακριά μπορούν να φτάσουν οι κατασκευαστές τσιπ και σε ένα συγκεκριμένο σημείο, δεν θα είναι δυνατό να γίνουν μικρότερα τρανζίστορ.
Το φως είναι γρηγορότερο
Οι φυσικοί εργάζονται σκληρά για να ελέγξουν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα με κύματα φωτός. Η ταλάντωση ενός φωτεινού κύματος διαρκεί περίπου ένα femtosecond, που είναι ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Ο έλεγχος των ηλεκτρικών σημάτων με φως θα μπορούσε να κάνει τους υπολογιστές του μέλλοντος πάνω από ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορους, κάτι που είναι ο στόχος της επεξεργασίας σήματος petahertz ή των ηλεκτρονικών κυμάτων φωτός.
Από κύματα φωτός στους παλμούς ρεύματος
Τα ηλεκτρονικά είναι σχεδιασμένα να μεταφέρουν και να επεξεργάζονται σήματα και δεδομένα με τη μορφή λογικών πληροφοριών, χρησιμοποιώντας δυαδική λογική (1 και 0). Αυτά τα σήματα μπορεί επίσης να έχουν τη μορφή παλμών ρεύματος.
Ερευνητές από την Έδρα της Φυσικής Λέιζερ ερευνούν πώς τα κύματα φωτός μπορούν να μετατραπούν σε παλμούς ρεύματος για αρκετά χρόνια . Στα πειράματά τους, οι ερευνητές φωτίζουν μια δομή ηλεκτροδίων γραφενίου και χρυσού με υπερμικρούς παλμούς λέιζερ. Οι παλμοί λέιζερ προκαλούν ηλεκτρονιακά κύματα στο γραφένιο, τα οποία κινούνται προς τα ηλεκτρόδια χρυσού όπου μετρώνται ως παλμοί ρεύματος και μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία ως πληροφορία.
Πραγματικά και εικονικά φορτία
Ανάλογα με το πού χτυπά ο παλμός λέιζερ στην επιφάνεια, τα ηλεκτρονικά κύματα εξαπλώνονται διαφορετικά. Αυτό δημιουργεί δύο τύπους παλμών ρεύματος που είναι γνωστοί ως πραγματικά και εικονικά φορτία.
«Φανταστείτε ότι το γραφένιο είναι μια πισίνα και τα ηλεκτρόδια του χρυσού είναι μια λεκάνη υπερχείλισης. Όταν η επιφάνεια του νερού είναι διαταραγμένη, λίγο νερό θα χυθεί από την πισίνα. Τα πραγματικά φορτία είναι σαν να πετάς μια πέτρα στη μέση της πισίνας. Το νερό θα χυθεί μόλις το κύμα που έχει δημιουργηθεί φτάσει στην άκρη της λίμνης, ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται από έναν παλμό λέιζερ στη μέση του γραφενίου», εξηγεί ο Tobias Boolakee, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στην έδρα. Φυσικής Λέιζερ.
«Τα εικονικά φορτία είναι σαν να μαζεύετε το νερό από την άκρη της πισίνας χωρίς να περιμένετε να σχηματιστεί κύμα. Με τα ηλεκτρόνια, αυτό συμβαίνει τόσο γρήγορα που δεν μπορεί να γίνει αντιληπτό, γι’ αυτό και είναι γνωστό ως εικονικό φορτίο. Σε αυτό το σενάριο, ο παλμός λέιζερ θα κατευθυνόταν στην άκρη του γραφενίου ακριβώς δίπλα στα ηλεκτρόδια χρυσού. Τόσο τα εικονικά όσο και τα πραγματικά φορτία μπορούν να ερμηνευθούν ως δυαδική λογική (0 ή 1).
Λογική με λέιζερ
Οι φυσικοί λέιζερ στο FAU μπόρεσαν να αποδείξουν με τα πειράματά τους για πρώτη φορά ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία μιας λογικής πύλης – ένα βασικό στοιχείο στους επεξεργαστές υπολογιστών. Η λογική πύλη ρυθμίζει τον τρόπο επεξεργασίας των εισερχόμενων δυαδικών πληροφοριών (0 και 1). Η πύλη απαιτεί δύο σήματα εισόδου, στη περίπτωση αυτή ηλεκτρονιακά κύματα από πραγματικά και εικονικά φορτία, που διεγείρονται από δύο συγχρονισμένους παλμούς λέιζερ. Ανάλογα με την κατεύθυνση και την ισχύ των δύο κυμάτων, ο παλμός ρεύματος που προκύπτει είτε συγκεντρώνεται είτε διαγράφεται. Για άλλη μια φορά, το ηλεκτρικό σήμα που μετρούν οι φυσικοί μπορεί να ερμηνευτεί ως δυαδική λογική, 0 ή 1.
«Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για το πώς η βασική έρευνα μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέας τεχνολογίας. Μέσα από τη θεμελιώδη θεωρία και τη σύνδεσή της με τα πειράματα, έχουμε αποκαλύψει τον ρόλο των πραγματικών και εικονικών φορτίων που άνοιξε το δρόμο για τη δημιουργία υπερταχέων λογικών πυλών», λέει ο Ignacio Franco από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ.
«Πιθανώς θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί αυτή η τεχνολογία σε ένα τσιπ υπολογιστή. Αλλά τουλάχιστον γνωρίζουμε ότι τα ηλεκτρονικά κυμάτων φωτός είναι μια εφικτή τεχνολογία», προσθέτει ο Tobias Boolakee.
Πηγή: SciTechdaily.com
