Представьте компьютер, который работает в миллион раз быстрее любого современного процессора. Звучит как фантастика, но учёные из Аризоны уже превращают эту мечту в реальность с помощью своей революционной технологии.
Команда исследователей нашла способ управлять электричеством не привычными электрическими токами, а вспышками света. Частота таких световых импульсов достигает петагерцового диапазона - одного квадриллиона циклов в секунду. Чтобы понять масштаб этой скорости, представьте: за одну секунду происходит столько же циклов, сколько звёзд во всей видимой Вселенной. Это превышает частоту современных микросхем более чем в тысячу раз.
Мохаммед Хассан, доцент физики и оптических наук Аризонского университета, объясняет суть проблемы: "Мы переживаем огромный скачок в развитии программ искусственного интеллекта, но аппаратная часть серьёзно отстаёт. Нужно создать железо, которое соответствует нынешней программной революции."
Открытие произошло во время изучения графена - удивительного материала толщиной всего в один атом. Графен представляет собой слой углерода, где атомы соединены в шестиугольную решётку, напоминающую пчелиные соты. Этот материал обладает уникальными свойствами: он прочнее стали, прозрачнее стекла и проводит электричество лучше меди.
Изначально команда просто наблюдала, как электричество проходит через слегка модифицированные образцы графена. Когда учёные направили на материал лазерный луч, энергия света толкнула электроны в движение, создав электрический ток. Но часто происходило нечто странное и неожиданное.
Лазерное излучение движется волнами, которые поднимаются и опускаются, как морские волны. Из-за этой волновой природы луч создавал абсолютно одинаковые по силе, но противоположные по направлению потоки электронов с обеих сторон симметричного графена. Потоки были точными зеркальными отражениями друг друга и поэтому взаимно уничтожались, не оставляя никакого результирующего тока.
Но затем случилось то, что изменило всё. Ученые заметили, что один-единственный электрон сумел "перепрыгнуть" через графеновый барьер, хотя по законам классической физики это должно быть невозможно.
Такое квантовое туннелирование - одно из самых загадочных явлений микромира. Представьте, что вы кидаете мячик в стену. В обычном мире он отскочит назад. Но в квантовом мире мячик может внезапно оказаться по другую сторону. Именно так ведут себя электроны: "телепортируются" через на первый взгляд непреодолимые барьеры.
Самое удивительное, что члены команды со временем научились управлять этим явлением - поняли, как заставлять электроны туннелировать в нужный момент.
Принцип работы нового транзистора кардинально отличается от традиционных микросхем. Обычные компьютерные чипы обрабатывают информацию, включая и выключая электрические цепи - процесс относительно медленный. Новая технология использует сверхкороткие лазерные импульсы, которые мгновенно запускают квантовое туннелирование и меняют состояние системы.
Когда световой импульс попадает на графен, он создаёт особые условия, при которых отдельные электроны получают возможность "проскочить" через материал. Весь процесс происходит настолько быстро, что открывает возможности для вычислений на частотах, недостижимых для современной электроники.
Устройство работает при обычной комнатной температуре в обычном воздухе, не требуя сверхнизких температур или вакуума, как многие другие квантовые технологии . Это означает, что разработку можно внедрить в повседневные гаджеты без создания специальных условий.
Аризонский университет уже работает над коммерциализацией проекта и патентом.
Переход к массовому производству потребует решения нескольких технических задач. Важно создать компактные источники сверхкоротких световых импульсов и отладить методы точного изготовления графеновых элементов . Но основные физические принципы уже доказаны и работают.
Потенциальные применения выходят далеко за рамки простого ускорения компьютеров. Сверхбыстрые вычисления позволят создать системы искусственного интеллекта принципиально нового уровня, способные обрабатывать информацию со скоростью, приближающейся к человеческому мышлению. Медицинская диагностика сможет анализировать сложнейшие данные за секунды, климатические модели станут точнее, а финансовые алгоритмы - быстрее.