محققان با استفاده از پالسهای لیزری و شبکهای لانهزنبوری، موفق شدهاند بیتها را با سرعتی یک میلیون بار بیشتر از رایانههای کنونی تولید کنند.
یک میلیارد عملیات در هر ثانیه فوقالعاده نیست. میدانید چه چیزی فوقالعاده است؟ یک میلیون میلیارد عملیات در ثانیه! تکنیک رایانش جدیدی که از پالسهای لیزری استفاده میکند، نویددهندهی دستیابی به چنین سرعت پردازشی فوقالعادهای است. این ایده میتواند منجر به تولید پیشنمونهای شود که با کمک پرتو لیزر و با تغییر وضعیت بین خاموش و روشن (صفر و یک) بیتها را تولید میکند؛ چنین پیشنمونهای انجام یک کادریلیون (۱۰۱۵) عملیات در ثانیه را امکانپذیر میکند؛ سرعتی که یک میلیون بار بیشتر از سرعت تولید بیتها در رایانههای مدرن امروزی است.
رایانههای امروزی (از ماشینحساب گرفته تا گوشی هوشمند و لپتاپ) همهچیز را به شکل صفر و یک تعبیر میکنند. هرکاری که رایانهها انجام میدهند، از حل مسائل ریاضی گرفته تا اجرای بازیهای رایانهای با گرافیک پیشرفته، چیزی نیست جز مجموعهای پیچیده از صفر و یک (یا بله و خیر). رایانههایی که اکنون از آنها استفاده میکنیم از قطعات سیلیکونی برای ساخت بیت استفاده میکند و در حدود یک میلیارد عملیات در هر ثانیه به انجام میرسانند.
طی آزمایشی که توسط محققان به انجام رسیده و نتایج آن اوایل ماه می در نشریهی Nature منتشر شده است، پالسهای لیزر مادون قرمز روی شبکهای با ساختار لانه زنبوری از جنس تنگستن و سلنیم تابیده میشوند. این تابش به تراشههای سیلیکونی اجازه میدهد مانند رایانههای معمولی بین حالت صفر و یک تغییر وضعیت دهند؛ تنها تفاوت این است که این کار یک میلیون بار سریعتر از رایانههای امروزی انجام میشود.
نکتهی کلیدی در این تکنیک، رفتار الکترونها در شبکههای لانهزنبوری است. در اکثر مولکولها، الکترونهای در حال چرخش، در صورت تحریک شدن دچار جهش به سطوح کوانتومی مختلفی میشوند؛ این سطوح معمولا «شبهچرخش» (Pseudospin) نامیده میشوند. برای اینکه بتوانید این سطوح چرخش را بهتر درک کنید، مولکولها را همچون زمین فوتبالی تصور کنید که دور آن یک پیست دو و میدانی با چندین مسیر مختلف قرار دارد.
وقتی الکترونها در حالت تحریکنشده قرار دارند، در مسیری که به زمین فوتبال نزدیکتر است میچرند؛ اما اگر آنها را با چیزی مانند تابش نور تحریک کنیم، الکترونهای تحریکشده مجبور میشوند به مسیری که از زمین فوتبال دورتر است بروند تا با طی مسیر بیشتر، بخشی از انرژی دریافتی را مصرف کنند. دانشمندان این مسیرها را Valley (دره) و تغییر دادن مسیر چرخش این الکترونها را Valleytronics مینامند.
شبکهی لانهزنبوری ساختهشده از تنگستن و سلنیم تنها دارای دو مسیر برای ورود الکترونهای تحریکشده است. اگر الکترونها را از زاویهای خاص تحت تابش لحظهای لیزر مادون قرمز قرار دهیم، الکترونها وارد مسیر اولیهی موجود در این شبکه میشوند. اما اگر تابش لحظهای لیزر مادون قرمز از زاویهی دیگری انجام شود، الکترونهای تحریکشده وارد مسیر دوم خواهند شد. بهطور فرضی، یک رایانه میتواند یکی از این مسیرها را معادل «صفر» و مسیر دیگر را معادل «یک» در نظر بگیرد. وقتی یک الکترون در مسیر اول باشد، میتوان آن را معادل «صفر» در نظر گرفت؛ در صورت انتقال به مسیر دوم، میتوان آن را معادل «یک» در نظر گرفت.
این طرح میتواند امکان انجام رایانش کوانتومی را در دمای اتاق فراهم کند
یکی از موارد مهم این است که مسیرهای موجود در شبکهی لانهزنبوری به هم نزدیک هستند؛ به همین دلیل الکترونها برای از دست دادن انرژی، نیاز نخواهند داشت مدت زیادی در مسیر طولانیتر زمان صرف کنند. اگر بخواهیم دقیقتر این مسئله را بیان کنیم، وقتی از زاویهی مشخصی لیزر مادونقرمز به شبکهی لانهزنبوری تابیده میشود، الکترونِ تحریکشده وارد مسیر طولانیتر میشود؛ اما تنها پس از چند فمتوثانیه (هر فمتوثانیه معادل ۱۵-۱۰ ثانیه است) به حالت غیر تحریکشده بازمیگردد و مجددا به مسیری وارد میشود که به هسته نزدیکتر است. توجه داشته باشید که یک فمتوثانیه مدت فوقالعاده کوتاهی است؛ برای مقایسه، حتی عبور نور از یک گلبول قرمز خون بیش از یک فمتوثانیه به طول میانجامد.
بر اساس آنچه گفته شد، الکترونها برای مدت بسیار کوتاهی در مسیر طولانیتر باقی خواهند ماند؛ اما نکتهی قابل توجهتر این است که حتی پیش از بازگشت آنها به مسیر کوتاهتر، میتوان با تابشهای لحظهای نور (از زاویهای متفاوت)، آنها را در مدت کوتاهتری به مسیر کوتاه انتقال داد. به عبارت دیگر، میتوان پیش از خروج الکترون از حالت غیر تحریکشده، آن را به مسیر کوتاه بازگرداند. همانطور که پیش از این گفته شد، همین قرار گرفتن در مسیرهای مختلف را میتوان بهعنوان «صفر» و «یک»-های دنیای رایانه تعبیر کرد؛ اما بر اساس یافتههای پژوهشگران، در این ایدهی جدید، تغییر این صفر و یکها با سرعت بهمراتب بیشتری نسبت به رایانههای کنونی انجام میشود.
پژوهشگران احتمال میدهند که شبکهی لانهزنبوری استفادهشده در این طرح میتواند امکان انجام رایانش کوانتومی را در دمای اتاق فراهم کند. این میتواند یک تغییر بزرگ در دنیای رایانش کوانتومی باشد؛ چرا که در رایانههای کوانتومی فعلی پژوهشگران مجبور هستند دمای ذرات کوانتومی را به صفر مطلق نزدیک کنند؛ یعنی سردترین دمای ممکن. پژوهشگران نشان دادهاند که میتوان در شبکههای لانهزنبوری الکترونها را در یکی از مسیرها قرار داد؛ اما علاوه بر این، میتوان با ایجاد وضعیتی درهمریخته، تا حدودی الکترونها را بهطور همزمان در هر دو مسیر نگاه داشت. چنین چیزی برای انجام محاسبات رایانش کوانتومی لازم است.
تماشا در یوتیوب
روپرت هوبر، استاد فیزیک در دانشگاه رگنسبورگ آلمان و پژوهشگر ارشد این مطالعه، میگوید:
در درازمدت، این شانس را داریم که بتوانیم ابزارهای اطلاعاتی کوانتومی ایجاد کنیم؛ ابزارهایی که عملیات را در مدتی کوتاهتر از نوسان یک موجنوری انجام میدهند.
شایان ذکر است که در مطالعهی انجامشده، محققان هیچگونه عملیات کوانتومی به انجام نرساندهاند و ایدهی رایانش کوانتومی در دمای اتاق نیز در حال حاضر صرفا در حد فرضیه است. در واقع، تنها عملیات انجامشده در این پژوهش، حرکت بین وضعیت صفر و یک در شبکهی لانهزنبوری بوده است. این ایده هنوز برای انجام محاسبات واقعی مورد استفاده قرار نگرفته است و تنها پس از انجام چنین کاری محققان میتوانند کاربردی بودن آن در رایانهها را به اثبات برسانند.
با این وجود، چنین ایدهای میتواند منجر به خلق رایانههای متعارف –یا کوانتومی- فوق سریع شود؛ رایانههایی پرسرعت که تاکنون به آنها دسترسی نداشتهایم.