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2022-05-15 22:01 |
利用激光脈沖將計(jì)算機(jī)速度提高一百萬倍
在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜的科學(xué)模型或處理大量的數(shù)據(jù)需要相當(dāng)大的計(jì)算能力和時(shí)間。來自弗里德里希-亞歷山大-紐倫堡大學(xué)(FAU)激光物理學(xué)教席的研究人員和紐約羅切斯特大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了未來如何利用激光脈沖將基本計(jì)算操作的速度提高到一百萬倍。 $@_{p*q
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他們于當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月11日發(fā)表在《自然》上。 >R!"P[*
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今天的計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)處理器的計(jì)算速度是由場效應(yīng)晶體管給出。在生產(chǎn)更快設(shè)備的競爭中，這些晶體管的尺寸不斷縮小以便在芯片上盡可能多地安裝在一起。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已經(jīng)以幾千兆赫的驚人速度運(yùn)行，這意味著每秒有幾十億次計(jì)算操作。最新的晶體管的尺寸只有5納米，相當(dāng)于不超過幾個原子。芯片制造商能走多遠(yuǎn)是有限制的，在某一點(diǎn)上，將不可能使晶體管再小了。 bmu6@jT
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光更快 $.pTB(tO
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物理學(xué)家正在努力用光波控制電子器件。一個光波的振蕩大概需要一飛秒。用光來控制電信號可以使未來的計(jì)算機(jī)速度提高100多萬倍，這就是佩塔赫茲信號處理或光波電子學(xué)的目的。 j pRBER_X
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從光波到電流脈沖 lwc5S `"
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電子學(xué)被設(shè)計(jì)用來傳輸和處理邏輯信息形式的信號和數(shù)據(jù)，其使用二進(jìn)制邏輯。另外，這些信號也可以采取電流脈沖的形式。 &)n_]R#)
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激光物理學(xué)教席的研究人員幾年來一直在研究如何將光波轉(zhuǎn)換為電流脈沖。研究人員在他們的實(shí)驗(yàn)中使用超短激光脈沖照射一個石墨烯和金電極的結(jié)構(gòu)。激光脈沖在石墨烯中誘發(fā)電子波，這些電子波向金電極移動，在那里它們被測量為電流脈沖并可被作為信息處理。 69-:]7.g
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實(shí)電荷和虛電荷 d+;gw*_Ei
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根據(jù)激光脈沖擊中表面的位置，電子波的傳播方式不同。這就產(chǎn)生了兩種類型的電流脈沖，它們分別被稱為實(shí)電荷和虛電荷。 ldGojnS
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“想象一下，石墨烯是一個水池，金電極是一個溢出的盆地。當(dāng)水的表面受到干擾時(shí)，一些水會從池子里溢出來。真正的電荷就像把一塊石頭扔進(jìn)水池中間，”該研究的論文第一作者、激光物理學(xué)教席的研究員Tobias Boolakee稱，“一旦產(chǎn)生的波到達(dá)水池的邊緣水就會溢出來，就像石墨烯中間被激光脈沖激發(fā)的電子。虛電荷就像從水池邊緣舀水一樣，無需等待波浪的形成。對于電子來說，這種情況發(fā)生得非�？�，以至于無法被感知，這就是它被稱為虛電荷的原因。在這種情況下，激光脈沖將被指向緊挨著金電極的石墨烯邊緣。”虛電荷和實(shí)電荷都可以被解釋為二進(jìn)制邏輯。 uRE*% d>
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使用激光的邏輯 OR:[J5M)
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FAU的激光物理學(xué)家已經(jīng)能通過他們的實(shí)驗(yàn)首次證明，這種方法可以用來操作邏輯門--計(jì)算機(jī)處理器中的一個關(guān)鍵元素。邏輯門規(guī)定了如何處理傳入的二進(jìn)制信息。該門需要兩個輸入信號，這里是來自實(shí)電荷和虛電荷的電子波，由兩個同步的激光脈沖激發(fā)。根據(jù)這兩個波的方向和強(qiáng)度，產(chǎn)生的電流脈沖要么被聚集要么被抹去。再一次，物理學(xué)家測量的電信號可以被解釋為二進(jìn)制邏輯，即0或1。 t V03+&jF
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“這是一個很好的例子，說明基礎(chǔ)研究如何能夠帶來新技術(shù)的發(fā)展，”來自羅切斯特大學(xué)的Ignacio Franco說道，“通過基礎(chǔ)理論及其與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了真實(shí)和虛電荷的作用，這為創(chuàng)建超快邏輯門開辟了道路。” +L0w;w
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