لیزر می‌تواند کامپیوترها را یک میلیون بار سریع‌تر کند

به گزارش لایوساینس این تکنیک جدید کامپیوتری با استفاده از پالس‌ها نور لیزر امکان افزایش سرعت محاسباتی کامپیوترها، جابه‌جایی میان وضعیت صفر و یک، را به یک کوادریلیون (میلیون میلیارد) عملیات در ثانیه- یعنی یک میلیون بار سریع‌تر از کامپیوترهای امروزی را مطرح می‌کند.

کامپیوترهای مرسوم (از یک ماشین‌حساب گرفته تا تلفن هوشمند و لپ‌تاپ) بر اساس صفر و ۱ فکر می‌کنند. هر کاری که این کامپیوترها انجام می‌دهند، از حل مسائل ریاضی گرفته تا بازنمایی دنیای یک بازی ویدئویی به مجموعه پیچیده از عملیات ۱ یا صفر یا بله یا نه مربوط می‌شود. یک کامپیوتر معمولی در سال ۲۰۱۸ می‌تواند از تراشه‌های سیلیکونی استفاده کند تا حدود یک میلیارد از این عملیات را در ثانیه انجام می‌دهند.

اکنون پژوهشگران آلمانی در یک تجربه جدید که نتایج آن در ژورنال نیچر منتشر شده است، پالس‌های نور لیزر مادون‌قرمز را روی شبکه‌ دوبعدی کندو مانند ساخته‌شده از اتم‌های تنگستن و سلنیوم فرستادند تا درست مانند یک پردازنده معمولی کامپیوتر بین حالت‌های ۱ و صفر تغییر وضعیت دهد- منتها با سرعتی یک میلیون برابر بیشتر.

مسئله اصلی در این روش شیوه رفتار الکترون‌ها در یک شبکه کندو مانند است.

در اغلب مولکول‌ها الکترون‌هایی که به دور هسته می‌چرخند، هنگامی‌که تحریک می‌شوند می‌تواند بین چند وضعیت کوانتومی متفاوت یا «سودوسپین» (psudospin) جهش کنند. یک مثال خوب برای تصور این وضعیت‌ها این است که آن‌ها را به‌صورت مسیرهای حلقوی در اطراف مولکول در نظر بگیرید (پژوهشگران این مسیرها را دره valley و دست‌کاری چرخش الکترون‌ها را «ولیترونیک»  valleytronics می‌نامند).

ترسیمی از حالت سودوسپین «بالا» و «پایین»، یک پالس نور لیزر و انرژی و چشم‌انداز نوسان انرژی الکترون‌ها

این الکترون‌ها هنگامی‌که تحریک نشده‌اند ممکن است نزدیک به مولکول بمانند و با سرعت کم در حلقه‌هایی بچرخند. اما هنگامی‌که این الکترون‌ها تحریک می‌شوند، مثلاً با تابش نور پولاریزه، به مسیرهای بیرونی‌تر جهش می‌کنند تا انرژی آزاد کنند.

شبکه اتم‌های تنگستن- سلنیوم فقط دو مسیر برای ورود الکترون‌های تحریک‌شده در اختیار می‌گذارد. تاباندن نور لیزر مادون‌قرمز با یک جهت‌گیری به این شبکه باعث می‌شود الکترون به اولین مسیر جهش کند. تاباندن لیزر مادون‌قرمز با جهت‌گیری متفاوت باعث جهش الکترون به مسیر دوم می‌شود. یک کامپیوتر به‌طور نظری می‌توان این دو مسیر را به‌عنوان ۱ها و صفرها بخواند. هنگامی‌که الکترون در مسیر ۱ است، در وضعیت ۱ است. هنگامی‌که الکترون در مسیر صفر است، در وضعیت صفر است.

نکته مهم این است که این مسیرها (یا دره‌ها) نزدیک به یکدیگر قرار دارند و الکترون‌ها لازم نیست مسیری طولانی را طی کنند تا انرژی‌شان را از دست دهند. فرستادن پالس‌های لیزر مادون‌قرمز نوع یک، باعث می‌شود الکترون به مسیر ۱ جهش یابد، اما فقط برای «چند فمتوثانیه» (فمتو ۱۰ یعنی به توان منهای ۱۵) در آن چرخش خواهد و دوباره به حالت غیر تحریک‌شده‌اش در مدار یا اربیتال نزدیک‌تر به هسته بازمی‌گردد.

یک فمتو ثانیه یعنی یک هزار میلیون میلیونیم ثانیه که کمتر از مدت‌زمان گذر نور از یک سلول منفرد قرمز خون است.

بنابراین الکترون‌ها برای مدتی طولانی در این مسیر باقی نمی‌مانند، اما هنگامی‌که در یک مسیر قرار دارند، پالس‌های مداوم لیزر آن‌ها را میان این دو مسیر به عقب و جلو خواهند فرستاد تا زمانی که به وضعیت تحریک نشده بازگردند. این حرکت به عقب و جلو - وضعیت‌های صفر و یک- که بارها و بارها با سرعت فوق‌العاده انجام می‌شود، اساسی محاسباتی برای استفاده در کامپیوتر است. اما پژوهشگران نشان دادند که با استفاده از این شیوه می‌توان عملیات بسیار سریع‌تر از تراشه‌های فعلی انجام داد.

این پژوهشگران همچنین این امکان را مطرح می‌کنند که شبکه تنگستن- سلنیوم آن‌ها برای کامپیوتینگ کوانتومی در دمای معمولی اتاق قابل‌استفاده باشد.

این هدفی است که بسیار از پژوهشگران حوزه کامپیوترهای کوانتومی به دنبال آن هستند. در اغلب کامپیوترهای کوانتومی فعلی لازم است بیت‌های کوانتومی تا دمایی نزدیک به صفر مطلق- پایین‌ترین درجه ممکن- سرد شوند. این پژوهشگران نشان دادند که به‌طور نظری ممکن است الکترون‌ها را در این ساختار شبکه‌ای طوری تحریک کرد که به «ابرحالت‌ها»ی (superposition) کوانتومی مسیرهای ۱ و صفر برسند.

ابرحالت به معنای حالت مبهم قرار داشتن در وضعیتی نامعلوم در هر دو مسیر در یک زمان مشابه است که برای محاسبات کامپیوتینگ کوانتومی ضروری است.

روپرت هوبر، استاد فیزیک در دانشگاه رگنسبورگ در آلمان و سرپرست این پژوهش دراین‌باره گفت: «در درازمدت، ما وارد کردن وسایل اطلاعات کوانتومی را (که عملیات‌ را سریع‌تر از نوسان یک موج نور انجام می‌دهند) به این شبکه، احتمالی واقع‌گرایانه می‌دانیم.»

اما این پژوهشگران در این تحقیق عملیاتی کوانتومی را به این شیوه انجام ندادند، بنابراین ایده کامپیوتر کوانتومی در دمای معمولی اتاق هنوز کاملا نظری است.

درواقع عملیات کلاسیک (نوع منظم) که این پژوهشگران بر روی شبکه‌شان انجام دادند، بی‌معنی و صرفاً جابه‌جایی میان عقب و جلو (۱ و صفر) بودند. این شبکه هنوز برای محاسبه چیزی به کار نرفته است. بنابراین پژوهشگران هنوز باید نشان دهند که می‌تواند از این شبکه در یک کامپیوتر عملی استفاده کنند.

بااین‌وجود این تجربه می‌تواند راه را برای کامپیوترهای متعارف فوق‌سریع- و شاید کامپیوترهای کوانتومی- در موقعیت‌هایی که تاکنون ناممکن شمرده می‌شدند، بگشاید.