在計算機上模擬複雜的科學模型或處理大量的數據需要相當大的計算能力和時間。來自弗里德里希-亞歷山大-紐倫堡大學(FAU)激光物理學教席的研究人員和紐約羅切斯特大學的一個團隊已經證明了未來如何利用激光脈衝將基本計算操作的速度提高到一百萬倍。

他們於當地時間5月11日發表在《自然》上。

今天的計算機和智能手機處理器的計算速度是由場效應晶體管給出。在生產更快設備的競爭中，這些晶體管的尺寸不斷縮小以便在芯片上盡可能多地安裝在一起。現代計算機已經以幾千兆赫的驚人速度運行，這意味著每秒有幾十億次計算操作。最新的晶體管的尺寸只有5納米，相當於不超過幾個原子。芯片製造商能走多遠是有限制的，在某一點上，將不可能使晶體管再小了。

光更快

物理學家正在努力用光波控制電子器件。一個光波的振盪大概需要一飛秒。用光來控制電信號可以使未來的計算機速度提高100多萬倍，這就是佩塔赫茲信號處理或光波電子學的目的。

從光波到電流脈衝

電子學被設計用來傳輸和處理邏輯信息形式的信號和數據，其使用二進制邏輯。另外，這些信號也可以採取電流脈衝的形式。

激光物理學教席的研究人員幾年來一直在研究如何將光波轉換為電流脈衝。研究人員在他們的實驗中使用超短激光脈衝照射一個石墨烯和金電極的結構。激光脈沖在石墨烯中誘發電子波，這些電子波向金電極移動，在那裡它們被測量為電流脈衝並可被作為信息處理。

實電荷和虛電荷

根據激光脈衝擊中表面的位置，電子波的傳播方式不同。這就產生了兩種類型的電流脈衝，它們分別被稱為實電荷和虛電荷。

“想像一下，石墨烯是一個水池，金電極是一個溢出的盆地。當水的表面受到干擾時，一些水會從池子裡溢出來。真正的電荷就像把一塊石頭扔進水池中間，”該研究的論文第一作者、激光物理學教席的研究員Tobias Boolakee稱，“一旦產生的波到達水池的邊緣水就會溢出來，就像石墨烯中間被激光脈衝激發的電子。虛電荷就像從水池邊緣舀水一樣，無需等待波浪的形成。對於電子來說，這種情況發生得非常快，以至於無法被感知，這就是它被稱為虛電荷的原因。在這種情況下，激光脈衝將被指向緊挨著金電極的石墨烯邊緣。”虛電荷和實電荷都可以被解釋為二進制邏輯。

使用激光的邏輯

FAU的激光物理學家已經能通過他們的實驗首次證明，這種方法可以用來操作邏輯門–計算機處理器中的一個關鍵元素。邏輯門規定瞭如何處理傳入的二進制信息。該門需要兩個輸入信號，這裡是來自實電荷和虛電荷的電子波，由兩個同步的激光脈衝激發。根據這兩個波的方向和強度，產生的電流脈衝要么被聚集要么被抹去。再一次，物理學家測量的電信號可以被解釋為二進制邏輯，即0或1。

“這是一個很好的例子，說明基礎研究如何能夠帶來新技術的發展，”來自羅切斯特大學的Ignacio Franco說道，“通過基礎理論及其與實驗的聯繫，我們已經發現了真實和虛電荷的作用，這為創建超快邏輯門開闢了道路。”

Tobias Booklakee補充道：“可能還需要很長的時間才能在計算機芯片上使用這項技術。但至少我們知道，光波電子學是一項可行的技術。”