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用于快速“光波”计算机的超短光脉冲

2019-05-14 11:25:08   来源:

由国际团队展示的极短,可配置的“飞秒”光脉冲可能导致未来的计算机运行速度比现在的电子设备快100,000倍。

研究人员,包括密歇根大学的工程师,表明他们可以控制激光脉冲内的峰值并扭转光线。

该方法比电流更快,更有效地移动电子 - 并且对其量子态具有可靠的影响。参与这项研究的电子工程和计算机科学教授Mackillo Kira说,这是向所谓的“光波电子学”迈进的一步,也是在更遥远的未来量子计算领域。

例如,在计算机中通过半导体移动的电子偶尔会遇到其他电子,以热量的形式释放能量。但是,一种称为光波电子学的概念提出电子可以被超快激光脉冲引导。虽然汽车中的高速度使得驾驶员更容易撞到某物,但是电子的高速行驶会使行驶时间变短,从而在统计上不可能碰到任何东西。

“在过去几年中,我们和其他团体已经发现,超短激光脉冲的振荡电场实际上可以在固体中来回移动电子,”领导该实验的雷根斯堡大学物理学教授鲁珀特·胡贝尔说。“每个人都很兴奋,因为人们可以利用这个原则来构建以前所未有的时钟速率工作的未来计算机 - 比最先进的电子设备快10到十万倍。”

但首先,研究人员需要能够控制半导体中的电子。这项工作通过使用太赫兹辐射(微波和红外光之间的电磁频谱的一部分)在半导体晶体内部动员电子群来朝着这种能力迈出了一步。

研究人员将激光脉冲照射到半导体硒化镓的晶体中。这些脉冲非常短,小于100飞秒,或100千万亿分之一秒。每个脉冲都将半导体中的电子弹射到更高的能级 - 这意味着它们可以自由移动 - 并将它们向前移动。半导体晶体相对于脉冲的不同取向意味着电子在不同方向上移动通过晶体 - 例如,它们可以沿着原子键或在它们之间运行。

雷根斯堡物理学博士生Fabian Langer说:“不同的能量景观可以看作是一个平面和直线的街道,电子在一个晶体方向上,但对于其他人来说,它看起来更像是一个倾斜的平面。”“这意味着电子可能不再向激光场方向移动,而是由微观环境决定自己的运动。”

当电子从较高能级下降时发出光,它们的不同行程反映在脉冲中。它们发出的脉冲比进入的电磁辐射短得多。这些光脉冲只有几个飞秒长。

在晶体内部,它们足够快速地在原子间移动时拍摄其他电子的快照,并且它们还可以用于向电子读取和写入信息。为此,研究人员需要能够控制这些脉冲 - 晶体提供了一系列工具。

“脉冲中有手指等快速振荡。我们可以通过转动晶体来轻松移动手指的位置,”Kira说,他的小组与德国马尔堡大学的研究人员一起解释了Huber的实验。

根据其对入射激光脉冲的取向,晶体还可以扭曲输出光波。

因为飞秒脉冲足够快以在被置于激发状态和从该状态下降之间拦截电子,所以它们可以潜在地用于使用激发态中的电子作为量子位的量子计算。

“例如,在这里,我们设法通过两个激发路径同时发射一个电子,这不是典型的可能。这就是量子世界。在量子世界中,奇怪的事情发生了,”基拉说。

电子足够小,它的行为就像波浪和粒子一样 - 当它处于激发态时,它的波长会发生变化。由于电子同时处于两个激发态,这两个波相互干扰并在电子发射的飞秒脉冲中留下指纹。

“这种真正的量子效应可以在飞秒脉冲中看作新的,可控的振荡频率和方向,”基拉说。“这当然是基础物理学。通过相同的想法,你可以优化化学反应。你可能会通过量子加密技术获得安全存储信息或安全传输信息的新方法。”

Huber对频闪慢动作相机特别感兴趣,以揭示自然界中一些最快的过程,例如电子在原子内移动。

“我们的结晶固体可以为这一领域提供出色的光源 - 具有前所未有的脉冲整形可能性,”他说。

关于这项工作的论文题目是“大块晶体中高次谐波载波场的对称控制时间结构”,将发表在Nature Photonics上。该研究由欧洲研究理事会和德国研究基金会资助。