科技日報記者 張夢然

由意大利米蘭理工大學(xué)主導(dǎo)，聯(lián)合意大利國家研究委員會光子學(xué)與納米技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)隊，建造出了由光控制的超高速計算機(jī)。團(tuán)隊利用飛秒激光脈沖，在新型二維半導(dǎo)體材料中實現(xiàn)了超高速邏輯運(yùn)算，其運(yùn)算速度比現(xiàn)有最快的電子器件快一百倍以上，為未來計算機(jī)的性能突破開辟了新路徑。該成果首次證實，光不僅能傳輸信息，還可直接用于處理信息。相關(guān)論文發(fā)表于最新的《自然·光子學(xué)》雜志。

現(xiàn)代計算機(jī)依賴晶體管內(nèi)電荷的移動，其速度面臨物理極限。而該研究采用了一種根本不同的方法：利用振蕩的光場直接操控材料中電子的量子態(tài)。研究人員選用僅有三層原子厚度的二維半導(dǎo)體二硫化鎢作為載體，其中的電子可占據(jù)兩種不同的量子態(tài)，稱為“谷”。這兩種狀態(tài)可對應(yīng)傳統(tǒng)二進(jìn)制中的“0”和“1”，但操控潛力遠(yuǎn)高于電荷。

實驗中，團(tuán)隊施加一系列僅持續(xù)幾飛秒的精確激光脈沖，成功在室溫下對這兩種“谷”態(tài)進(jìn)行選擇性開關(guān)與信息擴(kuò)展，完成了類似于電子邏輯門的基本操作，速度超過10太赫茲。整個過程均在常溫下進(jìn)行，且所用的光脈沖技術(shù)已在實驗室中常規(guī)化，凸顯了其技術(shù)可行性。

研究還成功測量了此類量子信息在材料中能夠保持穩(wěn)定的時間，這是評估其能否用于實際器件的重要參數(shù)。

該技術(shù)目前仍處于原理驗證階段，要轉(zhuǎn)化為具有競爭力的計算器件，仍面臨一系列挑戰(zhàn)，包括設(shè)計更復(fù)雜的脈沖序列、擴(kuò)展可操作的比特數(shù)量等。研究團(tuán)隊表示，克服這些障礙將為開發(fā)新一代超高速信息處理器奠定基礎(chǔ)，有望最終帶來比現(xiàn)有技術(shù)快數(shù)百倍的計算設(shè)備。

總編輯圈點

傳統(tǒng)芯片處理信息，就像讓電子在復(fù)雜的城市道路上“奔波”，速度總有瓶頸。如今，科學(xué)家找到了一條“光速捷徑”：他們利用神奇的飛秒激光“指揮”一種新型二維半導(dǎo)體材料。這種激光的脈沖極短，能瞬間改變材料里電子的狀態(tài)，直接完成信息的“開”與“關(guān)”。實驗結(jié)果顯示，這種方法的邏輯運(yùn)算速度比現(xiàn)有最快的電子器件快了一百多倍。這意味著，未來的計算機(jī)有望掙脫傳統(tǒng)芯片的束縛，實現(xiàn)成千上萬倍的提速，為人工智能等前沿領(lǐng)域帶來顛覆性變革。