Сверхбыстрые импульсы света могут сделать компьютеры в миллион раз быстрее, чем самые современные процессоры: группа ученых, включая исследователей из Университета Аризоны, работает над тем, чтобы это стало реальностью.

В рамках международного сотрудничества ученые из Физического факультета Колледжа наук и Колледжа оптических наук Джеймса Уайанта продемонстрировали способ управления электронами в графене с помощью импульсов света, которые длятся менее триллионной доли секунды. Используя квантовый эффект, известный как туннелирование, они зафиксировали, как электроны почти мгновенно преодолевают физический барьер, что переопределяет возможные пределы вычислительной мощности компьютеров.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, подчеркивает, что эта техника может привести к скоростям обработки данных в петагерцевом диапазоне — более чем в 1000 раз быстрее, чем у современных чипов.

Передача данных с такой скоростью перевернет наше представление о вычислительной технике, сказал Мохаммед Хассан, доцент физики и оптических наук. Хассан давно занимается разработкой технологий компьютеров на основе света и ранее руководил созданием самого быстрого в мире электронного микроскопа.

«Мы сделали огромный шаг вперед в развитии технологий, таких как программное обеспечение для искусственного интеллекта, однако скорость развития аппаратного обеспечения не поспевает за этим. Но, опираясь на открытия в сфере квантовых компьютеров, мы можем разработать оборудование, которое будет соответствовать текущей революции в программном обеспечении информационных технологий. Ультрабыстрые компьютеры значительно помогут исследованиям в космосе, химии, здравоохранении и многом другом», — отметил Хассан.

Хассан работал вместе с коллегами из Университета Аризоны: Николаем Голубевым, доцентом физики, Мохамедом Синари, аспирантом, изучающим оптику и физику, Джалилом Шахом и Мингуи Юанем, аспирантом по оптике. К ним присоединились коллеги из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и Людвиг-Максимилианского университета Мюнхена в Германии.

Команда изначально изучала электрическую проводимость модифицированных образцов графена — материала, состоящего из одного слоя атомов углерода. Когда лазер освещает графен, энергия лазера возбуждает электроны в материале, заставляя их двигаться и формировать ток.

Иногда эти электрические токи взаимно гасятся. Хассан объяснил, что это происходит из-за того, что волна энергии лазера движется вверх и вниз, создавая равные и противоположные токи по обе стороны графена. Благодаря симметричной атомной структуре графена эти токи зеркально отражаются и гасят друг друга.

Но что, если один электрон мог бы проскочить через графен, и его путь можно было бы зафиксировать и отследить в реальном времени? Этот почти мгновенный «туннельный эффект» стал неожиданным результатом модификации разных образцов графена командой.

«Это то, что я больше всего люблю в науке: настоящие открытия происходят из того, чего вы не ожидаете. Входя в лабораторию, вы всегда предвкушаете, что произойдет, но настоящая красота науки — это небольшие случайности, которые побуждают вас исследовать дальше. Как только мы поняли, что добились этого туннельного эффекта, нам нужно было узнать больше», — сказал Хассан.

Используя коммерчески доступный фототранзистор на основе графена, модифицированный с добавлением специального слоя кремния, исследователи применили лазер, который переключается с частотой 638 аттосекунд, чтобы создать то, что Хассан назвал «самым быстрым в мире петагерцевым квантовым транзистором».

Транзистор — это устройство, которое действует как электронный выключатель или усилитель, контролирующий поток электричества между двумя точками, и является основой развития современной электроники.

«Для сравнения, одна аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды. Это значит, что это достижение представляет собой большой скачок вперед в разработке ультрабыстрых компьютерных технологий благодаря созданию транзистора с петагерцевой скоростью», — сказал Хассан.

Хотя некоторые научные достижения требуют строгих условий, включая температуру и давление, этот новый транзистор работал в обычных условиях — что открывает путь к коммерциализации и использованию в повседневной электронике.

Хассан сотрудничает с Tech Launch Arizona, офисом, который помогает исследователям коммерциализировать изобретения, созданные на основе исследований Университета Аризоны, чтобы запатентовать и вывести инновации на рынок. Хотя первоначальное изобретение использовало специализированный лазер, исследователи продолжают разработку транзистора, совместимого с коммерчески доступным оборудованием.

«Надеюсь, мы сможем сотрудничать с промышленными партнерами, чтобы реализовать этот петагерцевый транзистор на микрочипе. Университет Аризоны уже известен самым быстрым в мире электронным микроскопом, и мы хотели бы также прославиться первым транзистором с петагерцевой скоростью», — сказал Хассан.