Eine neue Technologie wird es Computern ermöglichen, Informationen millionenfach schneller zu verarbeiten als heute. Basierend auf der Elektronik von Lichtwellen schuf er Logikgatter, die Informationen mit Petahertz-Geschwindigkeit verwalten konnten, dem Maximum, das für optoelektronische Phänomene zulässig ist.

Forscher der University of Rochester (New York) und der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in Deutschland haben ein neuartiges Logikgatter entwickelt, das Laserpulse verwendet, auf der Zeitskala von Femtosekunden arbeitet und millionenfach schneller ist. als heutige Computer.

Das Logikgatter ist elektronische Schaltung die das gleiche Verhalten wie eine logische Funktion hat. Es wird verwendet, um den Computer zu programmieren und Anweisungen zu geben. Es ist wie ein elektrisch gesteuerter Schalter, der einen elektrischen Strom gleichrichten, modulieren oder verstärken kann.

Logikgatter sind in den meisten elektronischen Schaltungen vorhanden: Durch eine elektrische Spannung regulieren sie eine Reihe von Einsen und Nullen, die ein binäres System bilden, das von Computern zum Speichern von Informationen verwendet wird.

Laserenergie

Der von Wissenschaftlern vorgeschlagene neue Typ von Logikgatter basiert auf Laserenergie. Diese Technologie ist bekannt als Lichtwellenelektronik: Wird auf Logikgatter angewendet, wodurch sie schneller arbeiten als aktuelle Logikgatter.

Während herkömmliche Logikgatter eine Verzögerung bei der Verarbeitung von Informationen in der Größenordnung von Nanosekunden haben, verarbeiten neue Logikgatter Informationen mit der Geschwindigkeit von Femtosekunden: Nanosekunden stehen für Millionstel Sekunden, während Femtosekunden für Millionstel Sekunden stehen. zweite.

In Computerbegriffe übersetzt, werden diese technologischen Entwicklungen es Computern ermöglichen, die Verarbeitungsgeschwindigkeit im Petahertz (PHz)-Maßstab zu messen, im Gegensatz zu dem heute verwendeten Gigahertz (GHz)-Maßstab.

Diese noch potenzielle Errungenschaft ist sehr wichtig, denn neuere Studien haben errechnet, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit eine unüberwindbare Grenze für optoelektronische Phänomene hat: Sie kann ein Petahertz (eine Million Gigahertz) nicht überschreiten, selbst wenn das Material durch Pulse optimal angeregt wird. Laser. .

Elektronik und Licht

Bei der Bewertung dieser Ergebnisse erklärte die FAU, dass die Rechengeschwindigkeit von Computer- und Smartphone-Prozessoren durch die sog Feldeffekttransistordie ein elektrisches Feld verwendet, um die Form und Leitfähigkeit eines Stromkreises zu steuern.

Diese Transistoren werden immer kleiner, um möglichst viel in den Mikrochip zu quetschen: Die neusten Transistoren sind nur noch 0,000005 Millimeter groß, das entspricht wenigen Atomen. Kleinere Transistoren lassen sich laut FAU definitiv nicht herstellen.

Aus diesem Grund, und obwohl moderne Computer mit beeindruckenden Geschwindigkeiten von mehreren Gigahertz laufen, was mehreren Milliarden Computeroperationen pro Sekunde entspricht, arbeiten Physiker seit langem daran Steuerelektronik mit Lichtwellen.

Die Schwingung von Lichtwellen dauert etwa eine Femtosekunde. Die Steuerung elektrischer Signale mit Licht könnte zukünftige Computer millionenfach schneller machen, was das Ziel der Petahertz-Signalverarbeitung oder Lichtwellenelektronik ist.

Licht im Strom

Forscher der FAU untersuchen seit mehreren Jahren, wie sich Lichtwellen in Strompulse umwandeln lassen. In ihrem Experiment beleuchten sie die Struktur von Graphen- und Goldelektroden mit ultrakurzen Laserpulsen. Diese Pulse induzieren im Graphen eine Welle von Elektronen, die zur Goldelektrode wandern, wo sie als Strompulse gemessen und gemessen werden als Information verarbeitet werden können.

Physiker der FAU konnten das erstmals nachweisen Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Logikgatter zu betreibenund somit eine robustere Verarbeitung der eingehenden binären Informationen (0 und 1) erreichen.

Das Logikgatter benötigt zwei Eingangssignale, bei der Neuentwicklung reale und virtuelle Ladungselektronenwellen, die durch zwei synchronisierte Laserpulse angeregt werden.

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Bis diese Technologie in Computerchips eingesetzt werden kann, wird es noch eine Weile dauern, aber die Bedeutung ihrer Arbeit liegt vor allem darin, dies zu bestätigen, betonen die Forscher Lichtwellenelektronik ist eine praktikable Technologie Logikgatter zu bauen.

Referenz

Lichtfeldkontrolle realer und virtueller Ladungsträger. Tobias Boolakeeet al. Nature Band 605, Seiten 251–255 (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04565-9