رایانه های فوق سریع در حال آمدن هستند!

رایانه های فوق سریع در حال آمدن هستند!

محققان گامی قاطع در جهت ایجاد رایانه های فوق سریع برداشته اند.

یک جستجوی دیرینه برای علم و فناوری، ایجاد الکترونیک و پردازش اطلاعات بوده است که نزدیک به سریع‌ترین زمان‌بندی مجاز توسط قوانین طبیعت عمل کند.

یک رویکرد امیدوارکننده برای دستیابی به این هدف شامل استفاده از نور لیزر برای هدایت حرکت الکترون‌ها در ماده و سپس استفاده از این کنترل برای توسعه عناصر مدار الکترونیکی است – مفهومی که به عنوان الکترونیک موج نور شناخته می‌شود.

به طور قابل توجهی، لیزرها در حال حاضر به ما اجازه می‌دهند که انفجارهای الکتریسیته را در مقیاس‌های زمانی فمتوثانیه تولید کنیم – یعنی در یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه. با این حال، ظرفیت ما برای پردازش اطلاعات در چنین مقیاس‌های زمانی بسیار سریع همچنان مبهم باقی مانده است.

اکنون، محققان دانشگاه روچستر و دانشگاه فریدریش الکساندر ارلانگن-نورنبرگ (FAU) با نشان دادن یک دروازه منطقی – بلوک ساختمان محاسبات و پردازش اطلاعات – که در مقیاس های زمانی فمتوثانیه عمل می کند، گامی تعیین کننده در این مسیر برداشته اند. این شاهکار که در 11 می در مجله Nature گزارش شد، با مهار و کنترل مستقل، برای اولین بار، حامل های بار واقعی و مجازی که این انفجارهای فوق سریع الکتریسیته را تشکیل می دهند، انجام شد.

پیشرفت‌های محققان دری را برای پردازش اطلاعات در حد پتاهرتز باز کرده است، جایی که می‌توان یک کوادریلیون عملیات محاسباتی را در هر ثانیه پردازش کرد. این تقریباً یک میلیون بار سریع‌تر از رایانه‌های امروزی است که با نرخ کلاک گیگاهرتز کار می‌کنند، جایی که 1 پتاهرتز برابر با 1 میلیون گیگاهرتز است.

ایگناسیو فرانکو، دانشیار شیمی و فیزیک در روچستر که با همکاری دانشجوی دکتری آنتونیو خوزه گارزون رامیرز ’21 (PhD) انجام داد، می‌گوید: «این یک مثال عالی از این است که چگونه علوم بنیادی می‌تواند به فناوری‌های جدید منجر شود. مطالعات نظری که منجر به این کشف می شود.

لیزرها انفجارهای فوق سریع الکتریسیته تولید می کنند

در سال‌های اخیر، دانشمندان یاد گرفته‌اند که چگونه از پالس‌های لیزری که چند فمتوثانیه طول می‌کشند برای تولید انفجارهای فوق‌سریع جریان‌های الکتریکی استفاده کنند. این کار، برای مثال، با روشن کردن سیم‌های ریز مبتنی بر گرافن که دو فلز طلا را به هم متصل می‌کنند، انجام می‌شود. پالس لیزر فوق کوتاه، الکترون‌های موجود در گرافن را به حرکت در می‌آورد، یا «تحریک می‌کند» و مهمتر از همه، آنها را به یک جهت خاص می‌فرستد و در نتیجه یک جریان الکتریکی خالص تولید می‌کند.

پالس های لیزری می توانند به مراتب سریعتر از هر روش سنتی الکتریسیته تولید کنند – و این کار را در غیاب ولتاژ اعمال شده انجام می دهند. علاوه بر این، جهت و بزرگی جریان را می توان به سادگی با تغییر شکل پالس لیزر (یعنی با تغییر فاز آن) کنترل کرد.

پیشرفت: استفاده از حامل های شارژ واقعی و مجازی

گروه های تحقیقاتی فرانکو و پیتر هوملهوف از FAU چندین سال است که برای تبدیل امواج نور به پالس های جریان فوق سریع کار می کنند.

در تلاش برای تطبیق اندازه‌گیری‌های تجربی در ارلانگن با شبیه‌سازی‌های محاسباتی در روچستر، تیم متوجه شد: در اتصالات طلا-گرافن-طلا، می‌توان دو طعم – “واقعی” و “مجازی” – از ذرات حامل ذرات تولید کرد. بارهایی که این انفجارهای الکتریسیته را تشکیل می دهند.

  • حامل‌های بار «واقعی» الکترون‌هایی هستند که توسط نور برانگیخته می‌شوند که حتی پس از خاموش شدن پالس لیزر در حرکت جهت‌دار باقی می‌مانند.
  • حامل‌های بار «مجازی» الکترون‌هایی هستند که فقط در حالی که پالس لیزر روشن است، در حرکت جهتی خالص تنظیم می‌شوند. به این ترتیب، آنها گونه های گریزان هستند که فقط به صورت گذرا در هنگام روشنایی زندگی می کنند.
    از آنجایی که گرافن به طلا متصل است، حامل‌های بار واقعی و مجازی توسط فلز جذب می‌شوند تا جریان خالص تولید کنند.

به طور شگفت انگیزی، این تیم کشف کردند که با تغییر شکل پالس لیزر، آنها می توانند جریان هایی تولید کنند که تنها حامل های بار واقعی یا مجازی نقش دارند. به عبارت دیگر، آنها نه تنها دو نوع جریان را تولید کردند، بلکه یاد گرفتند که چگونه آنها را به طور مستقل کنترل کنند، یافته ای که به شدت عناصر طراحی را در الکترونیک موج نور افزایش می دهد.

دروازه های منطقی از طریق لیزر

با استفاده از این چشم انداز کنترل تقویت شده، تیم توانست برای اولین بار دروازه های منطقی را که در مقیاس زمانی فمتوثانیه ای عمل می کنند، به صورت تجربی نشان دهد.

گیت های منطقی بلوک های ساختمانی اساسی مورد نیاز برای محاسبات هستند. آنها کنترل می کنند که چگونه اطلاعات دریافتی، که به شکل 0 یا 1 (معروف به بیت) است، پردازش شود. گیت های منطقی به دو سیگنال ورودی نیاز دارند و یک خروجی منطقی تولید می کنند.

در آزمایش محققان، سیگنال‌های ورودی شکل یا فاز دو پالس لیزری همگام‌سازی شده‌اند که هر کدام تنها برای تولید یک انفجار حامل بار واقعی یا مجازی انتخاب شده‌اند. بسته به فازهای لیزری مورد استفاده، این دو سهم در جریان می توانند جمع شوند یا لغو شوند. سیگنال الکتریکی خالص را می توان به اطلاعات منطقی 0 یا 1 اختصاص داد که یک گیت منطقی فوق سریع را ایجاد می کند.

توبیاس بولکی، که به عنوان دانشجوی دکترا در FAU رهبری تلاش‌های تجربی را بر عهده داشت، می‌گوید: «احتمالاً زمان زیادی طول خواهد کشید تا بتوان از این تکنیک در یک تراشه رایانه‌ای استفاده کرد، اما حداقل اکنون می‌دانیم که الکترونیک موج نور عملاً امکان‌پذیر است.

Garzón-Ramírez ’21 (PhD) که اکنون یک محقق فوق دکترا در دانشگاه مک گیل است، می گوید: «نتایج ما راه را به سمت الکترونیک فوق سریع و پردازش اطلاعات هموار می کند.

فرانکو می‌گوید: «چیزی که در مورد این گیت منطقی شگفت‌انگیز است این است که عملیات‌ها مانند رایانه‌های معمولی در گیگاهرتز نیستند، بلکه با پتاهرتز انجام می‌شوند که یک میلیون بار سریع‌تر هستند. این به خاطر پالس‌های لیزری واقعا کوتاه مورد استفاده است که در یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه رخ می‌دهند.

از اصول تا برنامه های کاربردی

این فناوری جدید و بالقوه دگرگون‌کننده از مطالعات بنیادی در مورد اینکه چگونه می‌توان بار را در سیستم‌های مقیاس نانو با لیزر هدایت کرد، نشأت گرفت.

فرانکو می‌گوید: «از طریق تئوری بنیادی و ارتباط آن با آزمایش‌ها، نقش حامل‌های بار مجازی و واقعی را در جریان‌های ناشی از لیزر روشن کردیم و این راه را برای ایجاد دروازه‌های منطقی فوق سریع باز کرد».

این مطالعه نشان دهنده بیش از 15 سال تحقیق توسط فرانکو است. در سال 2007، به عنوان دانشجوی دکترا در دانشگاه تورنتو، روشی را برای تولید جریان های الکتریکی فوق سریع در سیم های مولکولی در معرض پالس های لیزر فمتوثانیه ابداع کرد. این پیشنهاد اولیه بعداً در سال 2013 به صورت آزمایشی اجرا شد و مکانیسم دقیق پشت آزمایش‌ها توسط گروه فرانکو در مطالعه‌ای در سال 2018 توضیح داده شد. از آن زمان، آنچه فرانکو از آن به عنوان رشد تجربی و نظری “انفجاری” یاد می کند در این زمینه وجود داشته است.

او می‌گوید: «این حوزه‌ای است که تئوری و آزمایش‌ها یکدیگر را به چالش می‌کشند و با انجام این کار، از اکتشافات بنیادی جدید و فناوری‌های امیدوارکننده رونمایی می‌کنند».

ترجمه:
پیشگامان تجارت امن ایرانیان

پیام بگذارید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.