Νέα τεχνολογία υπολογιστών υπόσχεται ταχύτητες 100 φορές μεγαλύτερες

Μια νέα επιστημονική μελέτη δείχνει ότι οι λογικές λειτουργίες των υπολογιστών μπορούν να εκτελούνται με παλμούς φωτός σε συχνότητες άνω των 10 terahertz, δηλαδή περισσότερο από 100 φορές ταχύτερα από τα σημερινά ηλεκτρονικά συστήματα. Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για μια νέα γενιά υπερταχέων υπολογιστικών τεχνολογιών.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Photonics και επικεντρώνεται στη χρήση εξαιρετικά σύντομων παλμών λέιζερ για την εκτέλεση λογικών πράξεων, αντί για τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Από την ηλεκτρονική στα υπολογιστικά συστήματα που λειτουργούν με φως

Οι σημερινοί υπολογιστές βασίζονται στη μετακίνηση ηλεκτρικών φορτίων μέσα σε τρανζίστορ. Αυτή η διαδικασία έχει φυσικά όρια ταχύτητας, τα οποία είναι δύσκολο να ξεπεραστούν με τη συμβατική τεχνολογία.

Η νέα προσέγγιση αλλάζει εντελώς το μοντέλο λειτουργίας. Αντί για ρεύμα ηλεκτρονίων, χρησιμοποιεί ταλαντώσεις φωτός για να επηρεάσει την κατάσταση των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα υλικό. Με αυτόν τον τρόπο το φως δεν χρησιμοποιείται μόνο για τη μεταφορά δεδομένων, αλλά και για την επεξεργασία πληροφοριών.

Οι ερευνητές κατάφεραν να ελέγξουν τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης σε χρονικές κλίμακες μερικών φεμτοδευτερολέπτων (εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), επιτυγχάνοντας λειτουργίες σε συχνότητες αντίστοιχες με αυτές των ταλαντώσεων του φωτός.

Το υλικό που έκανε το πείραμα εφικτό

Για την υλοποίηση του πειράματος χρησιμοποιήθηκε ένα δισδιάστατο ημιαγώγιμο υλικό με την ονομασία δισουλφίδιο του βολφραμίου (WS₂). Το υλικό είχε πάχος μόλις τρεις ατομικές στρώσεις.

Σε αυτή τη νανοκλίμακα εμφανίζονται ιδιαίτερα κβαντικά φαινόμενα. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να βρίσκονται σε δύο διαφορετικές καταστάσεις, γνωστές ως “valleys”, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονάδες πληροφορίας – αντίστοιχες με τα 0 και 1 των κλασικών υπολογιστών.

Με ακολουθίες πολύ σύντομων παλμών λέιζερ, οι επιστήμονες κατάφεραν να ενεργοποιούν, να απενεργοποιούν και να επεκτείνουν πληροφορίες μέσα στο υλικό, εκτελώντας κανονικές λογικές πράξεις όπως σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα.

Πειράματα σε θερμοκρασία δωματίου

Ένα σημαντικό στοιχείο της έρευνας είναι ότι τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου και με παλμούς λέιζερ που είναι ήδη διαθέσιμοι σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.

Η μελέτη επέτρεψε επίσης στους ερευνητές να μετρήσουν πόσο σταθερή παραμένει η κβαντική πληροφορία μέσα στο υλικό, κάτι που θεωρείται κρίσιμο για την ανάπτυξη πρακτικών συσκευών στο μέλλον.

Τι σημαίνει αυτό για το μέλλον των υπολογιστών

Το πείραμα αποτελεί ακόμη απόδειξη αρχής (proof-of-concept) και όχι έτοιμη τεχνολογία για εμπορικούς επεξεργαστές. Οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις, όπως η δημιουργία πιο σύνθετων ακολουθιών παλμών και η αύξηση των bits που μπορούν να επεξεργαστούν τέτοιες διατάξεις.

Ωστόσο, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επεξεργασία δεδομένων με φως μπορεί να οδηγήσει σε υπολογιστικά συστήματα εκατοντάδες φορές ταχύτερα από τα σημερινά.

Αν η τεχνολογία εξελιχθεί, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για μια νέα γενιά υπερταχέων επεξεργαστών και συστημάτων πληροφορικής.