Физики выяснили, как свет поможет ускорить компьютеры в 100 тысяч раз
Управление движением электронов при помощи сверхкоротких импульсов света может ускорить работу полупроводниковых компьютерных чипов в примерно 100 тысяч раз, заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.
"В последние годы мы и несколько других групп ученых обнаружили, что электрическое поле сверхкоротких импульсов лазера можно использовать для перемещения электронов внутри твердых форм материи. Все мы очень обрадовались такому открытию, так как оно позволяет создавать компьютеры, которые будут работать на частотах, в десятки и тысячи раз превышающие текущие рекордные значения", - заявил Руперт Хубер (Rupert Huber) из университета Регенсбурга (Германия).
Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов - устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более миниатюрных и быстрых вычислительных приборов.
Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов - как сегодня считают физики, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в 5 нанометров, принципиально невозможно создать. Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от полупроводников и переходят на иные способы передачи сигнала - при помощи света, спинов частиц или каких-то других "носителей информации".
Хубер и его коллеги нашли способ объединить привычные плюсы полупроводниковой электроники и сверхвысокую скорость работы ее световых аналогов, научившись управлять поведением электронов внутри пластин из полупроводников при помощи света.
Как объясняют ученые, частицы света, фотоны, являются носителями электрического и магнитного поля. При сближении на достаточно небольшие расстояния они взаимодействуют с носителями заряда, такими как электроны или ядра атомов. На основе этого свойства работают все солнечные батареи, цифровые камеры и другие полупроводниковые устройства.
Германские физики предположили, что этот эффект можно использовать для того, чтобы заставить электроны двигаться через полупроводник в нужную сторону, если учитывать то, как устроены его кристаллы. Им удалось реализовать эту идею, облучая пластинки из селенида галлия, одного из самых перспективных полупроводниковых материалов, сверхкороткими импульсами лазера, которые длятся всего миллионную долю наносекунды.
Эти "запрограммированные" миграции электронов, как объясняют ученые, можно использовать для сверхбыстрой передачи и обработки информации внутри полупроводниковых кристаллов, скорость работы которых не будет ограничиваться теми проблемами, которые возникают при работе "обычных" транзисторов. Хубер и его коллеги предлагают называть такие компьютеры "световолновыми", так как переносчиком информации в них будут волны света.
Помимо ускорения работы обычных компьютеров, аналогичные кристаллы можно использовать и для создания квантовых вычислительных устройств, используя электроны, одновременно "обстреливаемые" несколькими пучками лазера, в качестве кубитов, ячеек памяти квантового компьютера. Все это, как надеется Хубер, привлечет внимание разработчиков чипов и приведет к созданию сверхбыстрых компьютеров уже в ближайшие годы.
