科学探索|用于超快信号处理的激光脉冲可使计算机的速度提高至一百万倍用于超快信号处理的激光脉冲

在计算机上模拟复杂的科学模型或处理大量的数据需要相当大的计算能力和时间。来自弗里德里希-亚历山大-纽伦堡大学(FAU)激光物理学教席的研究人员和纽约罗切斯特大学的一个团队已经证明了未来如何利用激光脉冲将基本计算操作的速度提高到一百万倍。

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他们于当地时间5月11日发表在《自然》上。
今天的计算机和智能手机处理器的计算速度是由场效应晶体管给出。在生产更快设备的竞争中，这些晶体管的尺寸不断缩小以便在芯片上尽可能多地安装在一起。现代计算机已经以几千兆赫的惊人速度运行，这意味着每秒有几十亿次计算操作。最新的晶体管的尺寸只有5纳米，相当于不超过几个原子。芯片制造商能走多远是有限制的，在某一点上，将不可能使晶体管再小了。
光更快
物理学家正在努力用光波控制电子器件。一个光波的振荡大概需要一飞秒。用光来控制电信号可以使未来的计算机速度提高100多万倍，这就是佩塔赫兹信号处理或光波电子学的目的。
从光波到电流脉冲
电子学被设计用来传输和处理逻辑信息形式的信号和数据，其使用二进制逻辑。另外，这些信号也可以采取电流脉冲的形式。
激光物理学教席的研究人员几年来一直在研究如何将光波转换为电流脉冲。研究人员在他们的实验中使用超短激光脉冲照射一个石墨烯和金电极的结构。激光脉冲在石墨烯中诱发电子波，这些电子波向金电极移动，在那里它们被测量为电流脉冲并可被作为信息处理。
实电荷和虚电荷
根据激光脉冲击中表面的位置，电子波的传播方式不同。这就产生了两种类型的电流脉冲，它们分别被称为实电荷和虚电荷。

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“想象一下，石墨烯是一个水池，金电极是一个溢出的盆地。当水的表面受到干扰时，一些水会从池子里溢出来。真正的电荷就像把一块石头扔进水池中间， ”该研究的论文第一作者、激光物理学教席的研究员Tobias Boolakee称， “一旦产生的波到达水池的边缘水就会溢出来，就像石墨烯中间被激光脉冲激发的电子。虚电荷就像从水池边缘舀水一样，无需等待波浪的形成。对于电子来说，这种情况发生得非常快，以至于无法被感知，这就是它被称为虚电荷的原因。在这种情况下，激光脉冲将被指向紧挨着金电极的石墨烯边缘。”虚电荷和实电荷都可以被解释为二进制逻辑。
使用激光的逻辑
FAU的激光物理学家已经能通过他们的实验首次证明，这种方法可以用来操作逻辑门--计算机处理器中的一个关键元素。逻辑门规定了如何处理传入的二进制信息。该门需要两个输入信号，这里是来自实电荷和虚电荷的电子波，由两个同步的激光脉冲激发。根据这两个波的方向和强度，产生的电流脉冲要么被聚集要么被抹去。再一次，物理学家测量的电信号可以被解释为二进制逻辑，即0或1 。
“这是一个很好的例子，说明基础研究如何能够带来新技术的发展， ”来自罗切斯特大学的Ignacio Franco说道， “通过基础理论及其与实验的联系，我们已经发现了真实和虚电荷的作用，这为创建超快逻辑门开辟了道路。”