Nature:雷射可讓電腦提速百萬倍,有室溫下用於量子計算可能性

2020-12-05 新智元

新智元編譯

來源：livescience

作者：小潘

【新智元導讀】使用雷射脈衝來製作計算的基本單元，可以以1千兆次/秒的速度在開啟和關閉狀態之間進行切換，這比現代計算機中的位數快大約100萬倍。這項研究發表在5月2號Nature上。

每秒10億次操作並不酷。 知道什麼是酷麼？ 每秒高達100億次操作。

這是對新型計算技術的一種承諾，它使用雷射脈衝來製作計算的基本單元，也就是1比特，它可以以1千兆次/秒的速度在開啟和關閉狀態之間進行切換，或著說，在「1」和「0」的狀態之間切換。 這比現代計算機中的位數快大約100萬倍。

常規計算機，包括計算器、用於閱讀本文的智慧型手機和筆記本電腦等所有設備，都以1s和0s為單位進行運作。 他們所做的一切，從解決數學問題，到表示視頻遊戲的世界，都是一個非常複雜的1或0的集合，或者說「是」或「不是」的集合。 2018年，一臺典型的計算機可以使用矽片來執行每秒10億次以上的操作。

在這個實驗中，研究人員將紅外雷射脈衝照射在鎢和硒的蜂窩狀晶格上，使得矽晶片像普通的計算機處理器一樣從「1」狀態切換到「0」狀態，根據在5月2號Nature上發表的文章顯示，這種方式可以使計算機的速度提高上百萬倍。

這是電子技術如何在蜂窩晶格中表現的技巧。

在大多數分子中，在它們周圍的軌道中的電子可以跳進幾種不同的量子態，或者當它們興奮時，它們就會跳躍到「假想旋轉」。可以通過假象來更好的理解這些狀態，就好像分子周圍本身存在一些循環的賽道。研究人員將這些賽道稱為「山谷」，並將對其的操縱稱為「valleytronics」。

當不受歡迎時，電子可能會靠近分子，進入一個懶惰的賽道。 但是，如果用一些方法激發那個電子，比如用閃光燈，這個操作將會消耗電子的外部軌道上的一些能量。

鎢硒晶格周圍只有兩條軌道供激發的電子進入。 以紅外光的一個方向閃爍晶格，電子將跳到第一條軌道上。 用不同的紅外光定向閃光，電子會跳到另一個軌道上。 理論上，計算機可以將這些軌跡視為1和0。 當軌道1上有電子時，它就代表1。當它在軌道0上時，它就代表0。

至關重要的是，這些軌道（或山谷）緊密結合在一起，在電子在失去能量之前不需要在它們之上運行很長的時間。 根據論文中的內容顯示，當用一種紅外光脈衝閃爍晶格時，電子將跳到軌道1上，但是它只會在這個軌道上循環幾飛秒的時間，然後返回到靠近原子核的軌道上的未激發狀態。飛秒速度是千億分之一秒，甚至不足以讓一束光穿過單個紅血球。

因此，電子不會長時間停留在軌道上，但是一旦它們在軌道上，額外的光脈衝將會使它們有機會回到未激勵狀態之前的狀態，並在兩個軌道之間來回變換，直到它們有機會回到那個非興奮狀態。這一切都是以一種難以置信的速度進行一遍又一遍的閃爍：1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 ，而這正是計算機的那些東西。 研究人員表示，在這類材料中，它的發生速度可能比現代晶片快得多。

研究人員還提出了他們的晶格可以在室溫下用於量子計算的可能性。這是量子計算的聖杯，因為大多數現有的量子計算機都需要研究人員首先將其量子位冷卻至接近絕對零度，即最冷的可能溫度。研究人員表明，理論上可能激發這個晶格中的電子使其在1軌道和0軌道上「疊加」，或者同時在兩條軌道上，模糊地進行模糊狀態的處理，這正是量子計算的關鍵。

這項研究的主要作者，德國雷根斯堡大學物理學教授Rupert Huber在一份聲明中表示：「從長遠來看，我們看到了引入量子信息器件的實際可能性，這些器件的運行速度比單個光波的單次振蕩更快。然而，研究人員實際上並沒有以這種方式執行任何量子操作，所以室溫量子計算機的想法仍然完全是理論上的。事實上，研究人員在其晶格上執行的經典（常規型）操作，也就是在1和0之間的來回切換，是毫無意義的。晶格仍然沒有用來計算任何東西。因此，研究人員仍然必須證明它可以用於實際的計算機。

儘管如此，這個實驗可以在迄今為止無法實現的情況下為超快速的傳統計算，甚至是量子計算打開一個大門。

原文地址：

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

論文地址：

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

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