Lasercomputer
Die Taktrate von 1-GHz-Prozessoren beträgt eine Milliarde Operationen pro Sekunde. Eine Menge, aber die besten Modelle, die derzeit für den Durchschnittsverbraucher verfügbar sind, leisten bereits ein Vielfaches mehr. Was wäre, wenn es schneller würde ... eine Million Mal?
Das verspricht die neue Computertechnologie, die mithilfe von Laserlichtimpulsen zwischen den Zuständen „1“ und „0“ wechselt. Dies ergibt sich aus einer einfachen Rechnung Billiarden Mal pro Sekunde.
In Experimenten, die 2018 durchgeführt und in der Zeitschrift Nature beschrieben wurden, feuerten Forscher gepulste Infrarotlaserstrahlen auf Wabenanordnungen aus Wolfram und Selen (1). Dies führte dazu, dass der kombinierte Siliziumchip zwischen Null- und Eins-Zuständen wechselte, genau wie ein normaler Computerprozessor, nur eine Million Mal schneller.
Wie ist das passiert? Wissenschaftler beschreiben dies anschaulich und zeigen, dass sich Elektronen in Metallwaben „seltsam“ verhalten (wenn auch nicht so sehr). Bei Anregung springen diese Teilchen zwischen verschiedenen Quantenzuständen, genannt „Pseudo-Spinnen“.
Forscher vergleichen es mit Laufbändern, die um Moleküle herum aufgebaut sind. Sie nennen diese Spuren „Täler“ und beschreiben die Manipulation dieser rotierenden Zustände als „dolinatronica » (S).
Die Elektronen werden durch Laserpulse angeregt. Je nach Polarität der Infrarotpulse „besetzen“ sie eines von zwei möglichen „Tälern“ um die Atome des Metallgitters. Diese beiden Zustände legen sofort die Verwendung des Phänomens in der Computerlogik Null-Eins nahe.
Das Elektronenspringen erfolgt extrem schnell, in Femtosekunden-Zyklen. Und hierin liegt das Geheimnis der unglaublichen Geschwindigkeit lasergeführter Systeme.
Darüber hinaus argumentieren Wissenschaftler, dass sich diese Systeme aufgrund physikalischer Einflüsse gewissermaßen gleichzeitig in beiden Zuständen befinden (Überlagerung), was Möglichkeiten für schafft. Forscher betonen, dass dies alles geschieht Zimmertemperaturwährend die meisten vorhandenen Quantencomputer Kühlsysteme für Qubits auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt benötigen.
„Langfristig sehen wir eine echte Möglichkeit, Quantengeräte zu schaffen, die Operationen schneller als eine Schwingung einer Lichtwelle ausführen“, sagte der Forscher in einer Erklärung. Rupert Huber, Professor für Physik an der Universität Regensburg, Deutschland.
Allerdings haben Wissenschaftler auf diese Weise noch keine echten Quantenoperationen durchgeführt, sodass die Idee eines bei Raumtemperatur arbeitenden Quantencomputers rein theoretisch bleibt. Gleiches gilt für die normale Rechenleistung dieses Systems. Es wurde lediglich der Betrieb von Schwingungen demonstriert und es wurden keine echten Rechenoperationen durchgeführt.
Ähnliche Experimente wie oben beschrieben wurden bereits durchgeführt. Im Jahr 2017 wurde eine Beschreibung der Forschung in Nature Photonics veröffentlicht, unter anderem an der University of Michigan in den USA. Dort wurden 100-Femtosekunden-Laserlichtimpulse durch einen Halbleiterkristall geleitet, um den Zustand der Elektronen zu überwachen. In der Regel ähnelten die in der Struktur des Materials auftretenden Phänomene den zuvor beschriebenen. Das gilt auch für die Quantenkonsequenzen.
Leichte Chips und Perowskite
Machen "Quantenlasercomputer » er wird anders behandelt. Im vergangenen Oktober demonstrierte ein US-amerikanisch-japanisch-australisches Forschungsteam ein leichtgewichtiges Computersystem. Anstelle von Qubits nutzt der neue Ansatz den physikalischen Zustand von Laserstrahlen und maßgeschneiderten Kristallen, um die Strahlen in eine spezielle Art von Licht umzuwandeln, das als „gequetschtes Licht“ bezeichnet wird.
Damit ein Clusterzustand Quantencomputing-Potenzial zeigt, muss der Laser auf eine bestimmte Weise gemessen werden. Dies wird mithilfe eines quantenverschränkten Netzwerks aus Spiegeln, Strahlemittern und optischen Fasern erreicht (2). Dieser Ansatz wird in einem kleinen Maßstab präsentiert, der keine ausreichend hohen Rechengeschwindigkeiten bietet. Wissenschaftler sagen jedoch, dass das Modell skalierbar ist und größere Strukturen letztendlich einen Quantenvorteil gegenüber aktuellen Quanten- und Binärmodellen erzielen könnten.
2. Laserstrahlen passieren ein kompliziertes Netzwerk aus Spiegeln
„Während aktuelle Quantenprozessoren beeindruckend sind, ist unklar, ob sie auf sehr große Größen skaliert werden können“, bemerkt Science Today. Nicolas Menicucci, ein teilnehmender Forscher am Centre for Quantum Computing and Communications Technologies (CQC2T) der RMIT University in Melbourne, Australien. „Unser Ansatz beginnt mit einer extremen Skalierbarkeit, die von Anfang an in den Chip integriert ist, da der Prozessor, der sogenannte Cluster-Status, aus Licht besteht.“
Auch für ultraschnelle photonische Systeme werden neue Lasertypen benötigt (siehe auch:). Wissenschaftler der Far Eastern Federal University (FEFU) berichteten – zusammen mit russischen Kollegen der ITMO University sowie Wissenschaftlern der University of Texas at Dallas und der Australian National University – im März 2019 in der Zeitschrift ACS Nano, dass sie eine entwickelt hatten effiziente, schnelle und kostengünstige Produktionsmethode Perowskit-Laser. Ihr Vorteil gegenüber anderen Typen besteht darin, dass sie stabiler arbeiten, was für optische Chips von großer Bedeutung ist.
„Unsere Halogenid-Laserdrucktechnologie bietet eine einfache, kostengünstige und gut kontrollierte Möglichkeit, eine Vielzahl von Perowskit-Lasern in Massenproduktion herzustellen. Wichtig ist, dass die Geometrieoptimierung im Laserdruckprozess erstmals die Herstellung stabiler Single-Mode-Perowskit-Mikrolaser ermöglicht (3). Solche Laser sind vielversprechend für die Entwicklung verschiedener optoelektronischer und nanophotonischer Geräte, Sensoren usw.“, erklärte Alexey Zhishchenko, Forscher am FEFU-Zentrum, in der Veröffentlichung.
3. Perowskit-Laserstrahlen
Natürlich werden wir in naher Zukunft keine Personalcomputer sehen, die „mit Lasern laufen“. Bisher handelt es sich bei den oben beschriebenen Experimenten um Proofs of Concept, nicht einmal um Prototypen von Computersystemen.
Allerdings sind die Geschwindigkeiten, die Licht- und Laserstrahlen bieten, für Forscher und Ingenieure zu verlockend, diesen Weg aufzugeben.
