Как лазеры могут сделать компьютеры в миллион раз быстрее?

Топовые современные процессоры могут выполнять сотни миллиардов операций в секунду. Суперкомпьютеры — квадриллион (это число с 15 нулями) операций в секунду. Да, это много, но не очень круто. Знаете, что круто? Это иметь обычный компьютер с такой производительностью, и не в далеком будущем, а практически в наше время.

Такие возможности может обеспечить новая вычислительная техника, которая использует импульсы лазерного излучения для создания аналога базовой единицы данных, бита, имеющего состояние «0» или «1», и может переключаться между ними квадриллион раз в секунду — в миллион раз быстрее, чем современные ПК.

Привычные нам устройства — абсолютно все, начиная от калькуляторов и заканчивая мощнейшими суперкомпьютерами — работают лишь при помощи комбинаций нулей и единиц. И какие бы сложные не были задачи, будь то игры или расчет нового химического соединения — все они по сути представляют собой очень сложный и длинный набор нулей и единиц. Среднестатистический процессор в 2018 году может использовать «кремниевые» биты для выполнения миллиардов операций с ними в секунду.

В новом эксперименте исследователи подавали импульсы лазерного света в ИК-диапазоне на решетку из вольфрама и селена, имеющую форму сот, позволяя электронам в ней «переключаться» между состояниями «0» и «1» в миллион раз быстрее, чем это происходит в обычном компьютере с кремниевым чипом.

Это получается из-за особенностей поведения электронов в сотовой решетке. Электроны в атомах могут располагаться на нескольких электронных уровнях — их можно представить как стабильные орбиты вокруг атомного ядра. В невозбужденном состоянии электроны располагаются в состояниях с минимумами энергии — то есть как можно ближе к ядру. 

Но стоит возбудить такой электрон (например, импульсом света), как он потратит полученную энергию на «перескок» на более далекий от ядра электронный уровень. Вольфрамово-селеновая решетка имеет лишь два электронных уровня, поэтому, меняя ориентацию лазерного импульса, можно заставить электрон «перепрыгивать» с одной орбиты на другую.

В теории, компьютер может рассматривать это как аналог бита: к примеру, можно считать, что если электрон находится на первом уровне, то это логический ноль, а если на втором — логическая единица.

На деле же различные электронные уровни располагаются достаточно близко к друг другу, поэтому, истратив полученную от лазерного импульса энергию, электрон достаточно быстро вернется к состоянию с наименьшей энергией — в нашем случае это первая орбита. Причем достаточно быстро на практике это очень-очень быстро, всего за несколько фемтосекунд — это величина в миллион миллиардов раз меньше одной секунды: для сравнения, за это время свет преодолеет путь всего в десятую долю толщины волоса!

Таким образом, используя лазер, можно за фемтосекунды изменить состояние «0» в состояние «1» — а, значит, за секунду мы получим целый квадриллион операций — сравнимо с современными суперкомпьютерами, только куда компактнее.

Также исследователи высказали мысль о том, что вольфрамово-селеновую решетку можно использовать для квантовых вычислений при комнатной температуре. И это просто манна небесная, потому что большинство существующих квантовых компьютеров требуют для работы охлаждения до почти абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию). Авторы решетки же показали, что теоретически можно возбуждать электроны в ней до суперпозиции состояний «0» или «1» — то есть можно получить кубиты, которые нужны для квантовых вычислений.

«В конечном итоге, мы видим реальную возможность внедрения квантовых информационных устройств, которые выполняют операции быстрее, чем происходит одно колебание световой волны (тут имеется ввиду то, что частота колебаний волн видимого света ~10¹⁵ Гц, что и дает квадриллион операций в секунду — прим. перев.)», — сказал в своем заявлении автор исследования Руперт Хубер, профессор физики в Университете Регенсбурга в Германии.

Правда, исследователи фактически не выполнили ни одного квантового вычисления таким образом, так что идея квантового компьютера при комнатной температуре остается полностью теоретической. Также следует учитывать то, что операции, которые выполняли ученые со своей решеткой, являются по сути бессмысленными «переключениями» между нулем и единицей, то есть она не использовалась для каких-либо вычислений. Таким образом, исследователи еще должны показать, как их открытие можно использовать в практическом компьютере.

И, тем не менее, эксперимент мог бы открыть дверь для сверхбыстрых обычных (и, возможно, квантовых) вычислений в ситуациях, которые до сих пор казались недосягаемыми.