Joseph Norman
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Eine Milliarde Operationen pro Sekunde ist nicht cool. Wissen Sie, was cool ist? Eine Million Milliarden Operationen pro Sekunde.
Das ist das Versprechen einer neuen Computertechnik, die Laserlichtimpulse verwendet, um einen Prototyp der grundlegenden Recheneinheit zu erstellen, die als Bit bezeichnet wird und zwischen dem Ein- und Ausschalten oder den Zuständen "1" und "0", 1 Billiarde, wechseln kann mal pro sekunde. Das ist ungefähr 1 Million Mal schneller als die Bits in modernen Computern.
Herkömmliche Computer (alles von Ihrem Taschenrechner bis zum Smartphone oder Laptop, mit dem Sie dies lesen) denken in Einsen und Nullen. Alles, was sie tun, von der Lösung mathematischer Probleme bis zur Darstellung der Welt eines Videospiels, ist eine sehr umfangreiche Sammlung von 1-oder-0-, Ja-oder-Nein-Operationen. Und ein typischer Computer im Jahr 2018 kann Siliziumbits verwenden, um mehr oder weniger 1 Milliarde dieser Operationen pro Sekunde auszuführen. [Science Fact oder Fiktion? Die Plausibilität von 10 Sci-Fi-Konzepten]
In diesem Experiment pulsierten die Forscher Infrarotlaserlicht auf wabenförmige Gitter aus Wolfram und Selen, wodurch der Siliziumchip wie bei einem normalen Computerprozessor von "1" auf "0" umschalten konnte - laut nur einer Million Mal schneller die Studie, die am 2. Mai in Nature veröffentlicht wurde.
Das ist ein Trick, wie sich Elektronen in diesem Wabengitter verhalten.
In den meisten Molekülen können die Elektronen in ihrer Umlaufbahn in verschiedene Quantenzustände oder "Pseudospins" springen, wenn sie angeregt werden. Eine gute Möglichkeit, sich diese Zustände vorzustellen, besteht darin, Rennstrecken um das Molekül selbst zu schleifen. (Forscher nennen diese Spuren "Täler" und die Manipulation dieser Spins "Valleytronics".)
Wenn das Elektron nicht angeregt ist, bleibt es möglicherweise nahe am Molekül und dreht sich in trägen Kreisen. Aber erregen Sie dieses Elektron, vielleicht mit einem Lichtblitz, und es muss auf einer der äußeren Spuren etwas Energie verbrennen.
Das Wolfram-Selen-Gitter ist nur von zwei Spuren umgeben, durch die angeregte Elektronen eintreten können. Blinken Sie das Gitter mit einer Ausrichtung von Infrarotlicht, und das Elektron springt auf die erste Spur. Blinken Sie mit einer anderen Ausrichtung des Infrarotlichts, und das Elektron springt auf die andere Spur. Ein Computer könnte diese Spuren theoretisch als Einsen und Nullen behandeln. Wenn sich auf Spur 1 ein Elektron befindet, ist das eine 1. Wenn es sich auf Spur 0 befindet, ist das eine 0.
Entscheidend ist, dass diese Spuren (oder Täler) eng beieinander liegen und die Elektronen nicht lange auf ihnen laufen müssen, bevor sie Energie verlieren. Pulsieren Sie das Gitter mit Infrarotlicht vom Typ 1, und ein Elektron springt auf Spur 1, umkreist es jedoch nur "einige Femtosekunden", bevor es in den Orbitalen näher am Kern in seinen nicht angeregten Zustand zurückkehrt. Eine Femtosekunde ist eine Tausendmillionstelsekunde, nicht einmal lang genug, damit ein Lichtstrahl eine einzelne rote Blutkörperchen durchquert.
Die Elektronen bleiben also nicht lange auf der Spur, aber sobald sie sich auf einer Spur befinden, werden sie durch zusätzliche Lichtimpulse zwischen den beiden Spuren hin und her geschleudert, bevor sie in einen nicht angeregten Zustand zurückfallen können. Dieses Hin und Her, 1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 - immer und immer wieder in unglaublich schnellen Blitzen - ist das Zeug zum Rechnen. Aber in dieser Art von Material, so zeigten die Forscher, könnte es viel schneller gehen als in modernen Chips.
Die Forscher wiesen auch auf die Möglichkeit hin, dass ihr Gitter für die Quantenberechnung bei Raumtemperatur verwendet werden könnte. Das ist eine Art heiliger Gral für das Quantencomputing, da die meisten existierenden Quantencomputer von Forschern verlangen, dass sie ihre Quantenbits zuerst auf den absoluten Nullpunkt, die kälteste mögliche Temperatur, abkühlen. Die Forscher zeigten, dass es theoretisch möglich ist, die Elektronen in diesem Gitter zu "Überlagerungen" der 1- und 0-Spuren anzuregen - oder zu mehrdeutigen Zuständen, auf beiden Spuren gleichzeitig irgendwie unscharf zu sein -, die für notwendig sind Quantenberechnungen.
"Langfristig sehen wir eine realistische Chance, Quanteninformationsgeräte einzuführen, die Operationen schneller ausführen als eine einzelne Schwingung einer Lichtwelle", sagte Studienleiter Rupert Huber, Professor für Physik an der Universität Regensburg in einer Erklärung . Die Forscher führten jedoch keine Quantenoperationen auf diese Weise durch, so dass die Idee eines Quantencomputers bei Raumtemperatur immer noch völlig theoretisch ist. Tatsächlich waren die klassischen (regulären) Operationen, die die Forscher an ihrem Gitter durchführten, nur bedeutungslos, hin und her, 1-und-0-Umschaltung. Das Gitter wurde noch nicht verwendet, um etwas zu berechnen. Daher müssen Forscher noch zeigen, dass es in einem praktischen Computer verwendet werden kann.
Dennoch könnte das Experiment die Tür zu ultraschnellem konventionellem Computing - und vielleicht sogar zu Quantencomputing - in Situationen öffnen, die bisher nicht zu erreichen waren.