Свет может сделать компьютеры в миллион раз быстрее

Группа исследователей в Германии и в Мичиганском университете продемонстрировала, как инфракрасные лазерные импульсы могут смещать электроны между двумя разными состояниями, классическими 1 и 0, в тонком листе полупроводника.

«Обычная электроника находится в диапазоне гигагерца, один миллиард операций в секунду, наш метод в миллион раз быстрее», — говорит Макилло Кира, профессор электротехники и информатики U-M.

Он возглавил теоретическую часть исследования, которая будет опубликована в журнале Nature, сотрудничая с физиками в Марбургском университете в Германии. Эксперимент проводился в Университете Регенсбурга в Германии.

Квантовые вычисления могут решить проблемы, которые слишком долго могут выполняться на обычных компьютерах, в таких областях, как искусственный интеллект, прогнозирование погоды и создание лекарств. Квантовые компьютеры получают фантастическую мощь от того, что их квантово-механические биты или кубиты — это не только состояния 1s или 0s, но они могут быть смешенными, известными как суперпозиции этих состояний.

«На классическом компьютере каждая бит-конфигурация должна храниться и обрабатываться одна за другой, в то время как набор кубитов может идеально хранить и обрабатывать все конфигурации с помощью одного запуска», — сказал Кира.

Это означает, что, когда вы хотите взглянуть на множество возможных решений проблемы и найти наилучшее решение, квантовые вычисления могут произвести это намного быстрее.

Но кубиты трудно сделать, потому что квантовые состояния чрезвычайно хрупкие. Основной коммерческий путь на сегодняшний день, проводимый такими компаниями, как Intel, IBM, Microsoft и D-Wave, использует сверхпроводящие схемы — петли из проволоки, охлажденной до чрезвычайно низких температур (-200 °С или меньше), при которой электроны перестают сталкиваться друг с другом и вместо этого образуют общие квантовые состояния через явление, известное как когерентность.

Вместо того, чтобы найти способ держаться на квантовом состоянии в течение длительного времени, новое исследование демонстрирует способ сделать обработку до того, как квантовое состояние распадется.

«В конечном счете мы видим реалистичную возможность внедрения квантовых информационных устройств, которые выполняют операции быстрее, чем одно колебание световой волны», — сказал Руперт Хубер, профессор физики в Университете Регенсбурга, который возглавил эксперимент. «Материал относительно прост в изготовлении, он работает при комнатной температуре воздуха, толщиной всего лишь несколько атомов, он максимально компактен».

Материал представляет собой один слой вольфрама и селена в сотовой решетке. Эта структура создает пару электронных состояний, известных как псевдоспины. Это не спин электрона (и даже тогда физики предупреждают, что электроны фактически не вращаются), но это своего рода угловой момент. Эти два псевдоспина могут кодировать 1 и 0.

Команда Хубера подтолкнула электроны к этим состояниям быстрыми импульсами инфракрасного света, всего за несколько фемтосекунд (квинтиллионные доли секунды). Начальный импульс имеет свой собственный спин, известный как круговая поляризация, который посылает электроны в одно состояние псевдоспина. Тогда импульсы света, которые не имеют спина (линейно поляризованные), могут подтолкнуть электроны от одного псевдоспина к другому — и обратно.

Обращаясь к этим состояниям как к обычным 1 и 0, можно было создать новый тип «световолнового» компьютера с тактовой частотой в миллионы раз быстрее, о чем упоминал Кира. Первым вызовом на этом пути будет использование последовательности лазерных импульсов для «переворота» псевдоспинов по желанию.

Но электроны также могут образовывать состояния суперпозиции между двумя псевдоспинами. С помощью серии импульсов должны выполняться расчеты до тех пор, пока электроны не выйдут из своего когерентного состояния. Команда показала, что они могут перевернуть кубит достаточно быстро, чтобы выполнить последовательность операций — в основном, это достаточно быстро, чтобы работать в квантовом процессоре.

Кроме того, электроны постоянно посылают свет, что позволяет легко читать кубит, не нарушая его тонкое квантовое состояние. По часовой стрелке круговая поляризация указывает одно состояние псевдоспина, против часовой стрелки — другое.

Следующие шаги к квантовым вычислениям состоят в том, чтобы получить сразу два кубита, достаточно близко друг к другу, чтобы они взаимодействовали. Это может быть связано с укладкой плоских листов полупроводника или использованием методов наноструктурирования, например, для забора кубитов в одном листе.

Больше информации: F. Langer et al. Lightwave valleytronics in a monolayer of tungsten diselenide, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0013-6