Xung laser để xử lý tín hiệu cực nhanh có thể làm cho máy tính nhanh hơn hàng triệu lần

Hình minh họa cấu trúc graphene vàng trong đó các sóng điện tử từ các điện tích thực và ảo được nhắm mục tiêu bằng hai xung laser cực nhanh. Hiệu ứng kết hợp có thể được sử dụng trong một cổng logic cực nhanh. Nhà cung cấp hình ảnh: Michael Osadciw, Đại học Rochester

Việc mô phỏng các mô hình khoa học phức tạp trên máy tính hoặc xử lý khối lượng lớn dữ liệu như chỉnh sửa tài liệu video sẽ tốn đáng kể thời gian và công suất tính toán. Các nhà nghiên cứu từ Chủ tịch Vật lý Laser tại Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) và một nhóm từ Đại học Rochester ở New York đã chứng minh tốc độ của các hoạt động tính toán cơ bản có thể tăng lên đến một triệu trong tương lai như thế nào trong tương lai. nhanh hơn nhiều lần khi sử dụng xung laser. Phát hiện của họ được công bố vào ngày 11 tháng 5 năm 2022, trên tạp chí Nature .

Tốc độ tính toán của bộ vi xử lý máy tính và điện thoại thông minh ngày nay được cung cấp bởi các bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Trong cuộc cạnh tranh để sản xuất các thiết bị nhanh hơn, kích thước của các bóng bán dẫn này không ngừng giảm xuống để phù hợp với nhiều con chip nhất có thể. Máy tính hiện đại đã hoạt động với tốc độ ngoạn mục vài gigahertz, tương đương với vài tỷ hoạt động tính toán mỗi giây. Các bóng bán dẫn mới nhất có kích thước chỉ 5 nanomet (0,000005 mm), tương đương với không nhiều hơn một vài nguyên tử. Có những giới hạn đối với việc các nhà sản xuất chip có thể đi bao xa và đến một thời điểm nhất định, sẽ không thể sản xuất các bóng bán dẫn nhỏ hơn nữa.

Ánh sáng nhanh hơn

Các nhà vật lý đang nỗ lực điều khiển thiết bị điện tử bằng sóng ánh sáng. Sự dao động của sóng ánh sáng mất khoảng một femto giây, tức là một phần triệu của một phần tỷ giây. Điều khiển tín hiệu điện bằng ánh sáng có thể làm cho máy tính của tương lai nhanh hơn một triệu lần, đó là mục tiêu của quá trình xử lý tín hiệu petahertz hoặc điện tử sóng ánh sáng.

Từ sóng ánh sáng đến xung hiện tại

Điện tử được thiết kế để truyền và xử lý tín hiệu và dữ liệu dưới dạng thông tin logic, sử dụng logic nhị phân (1 và 0). Những tín hiệu này cũng có thể ở dạng xung dòng điện.

Các nhà nghiên cứu từ Chủ tịch Vật lý Laser đã nghiên cứu cách sóng ánh sáng có thể được chuyển đổi thành xung hiện tại trong vài năm . Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu chiếu sáng cấu trúc của các điện cực graphene và vàng bằng các xung laser siêu ngắn. Các xung laser tạo ra sóng điện tử trong graphene, sóng này di chuyển về phía các điện cực vàng, nơi chúng được đo dưới dạng xung dòng điện và có thể được xử lý dưới dạng thông tin.

Phí thực và phí ảo

Tùy thuộc vào vị trí xung laser chạm vào bề mặt, các sóng điện tử lan truyền khác nhau. Điều này tạo ra hai loại xung hiện tại được gọi là điện tích thực và điện tích ảo.

Tobias Boolakee. Tín dụng: FAU / Johanna Hojer

“Hãy tưởng tượng rằng graphene là một bể bơi và các điện cực vàng là một bể nước tràn. Khi bề mặt của nước bị xáo trộn, một số nước sẽ tràn ra từ hồ bơi. Phí thật chẳng khác nào ném một hòn đá vào giữa bể. Nước sẽ tràn ngay khi làn sóng được tạo ra chạm tới mép vực, giống như các electron bị kích thích bởi một xung laser ở giữa graphene, ”Tobias Boolakee, tác giả chính của nghiên cứu và nhà nghiên cứu tại The Chair giải thích. của Vật lý Laser.

“Phí ảo giống như múc nước từ thành bể mà không cần đợi hình thành sóng. Với các electron, điều này xảy ra nhanh đến mức không thể nhận biết được, đó là lý do tại sao nó được gọi là điện tích ảo. Trong kịch bản này, xung laser sẽ được hướng vào rìa của graphene ngay bên cạnh các điện cực vàng. ” Cả phí ảo và phí thực đều có thể được hiểu là logic nhị phân (0 hoặc 1).

Logic với tia laze

Các nhà vật lý laser tại FAU lần đầu tiên có thể chứng minh bằng các thí nghiệm của họ rằng phương pháp này có thể được sử dụng để vận hành cổng logic – một yếu tố quan trọng trong bộ vi xử lý máy tính. Cổng logic điều chỉnh cách xử lý thông tin nhị phân đến (0 và 1). Cổng yêu cầu hai tín hiệu đầu vào, ở đây là sóng điện tử từ các điện tích thực và ảo, được kích thích bởi hai xung laze đồng bộ. Tùy thuộc vào hướng và cường độ của hai sóng, xung dòng điện kết quả được tổng hợp hoặc xóa. Một lần nữa, tín hiệu điện mà các nhà vật lý đo được có thể được hiểu là logic nhị phân, 0 hoặc 1.

“Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách nghiên cứu cơ bản có thể dẫn đến sự phát triển của công nghệ mới. Thông qua lý thuyết cơ bản và mối liên hệ của nó với các thí nghiệm, chúng tôi đã khám phá ra vai trò của các điện tích thực và ảo, điều này đã mở đường cho việc tạo ra các cổng logic cực nhanh, ”Ignacio Franco từ Đại học Rochester cho biết.

“Có lẽ sẽ mất một thời gian rất dài trước khi công nghệ này có thể được sử dụng trên chip máy tính. Nhưng ít nhất chúng ta biết rằng điện tử sóng ánh sáng là một công nghệ khả thi, ”Tobias Boolakee nói thêm.

Tham khảo: “Điều khiển trường ánh sáng của các sóng mang điện tích thực và ảo” của Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco và Peter Hommelhoff, ngày 11 tháng 5 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-022-04565-9

Theo Scitechdaily