研究人员展示了一种使用持续时间不到万亿分之一秒的光脉冲操控电子的方法，以几乎瞬时地记录电子绕过物理障碍——这一壮举重新定义了计算机处理能力的潜在极限。
如果超快光脉冲能够以比当前最佳处理器快一百万倍的速度操作计算机，会怎样呢？包括亚利桑那大学研究人员在内的科学家团队正在努力实现这一目标。
在一项具有突破性的国际努力中，亚利桑那大学科学学院物理系和詹姆斯·C·怀恩光学科学学院的研究人员展示了一种利用持续时间不到万亿分之一秒的光脉冲操控石墨烯中电子的方法。通过利用一种称为隧穿的量子效应，他们几乎瞬时地记录了电子绕过物理障碍，这一壮举重新定义了计算机处理能力的潜在极限。
发表在《自然通讯》上的一项研究强调了这一技术如何能够实现震荡在佩托赫兹范围内的处理速度——比现代计算机芯片快超过1000倍。
以这些速度发送数据将彻底改变我们所知的计算方式，物理与光学科学副教授穆罕默德·哈桑说。哈桑长期以来一直追求基于光的计算机技术，并曾领导开发世界上最快的电子显微镜的努力。
“在人工智能软件等技术的发展上，我们经历了巨大的飞跃，但硬件的发展速度并没有那么快，”哈桑说。“但是，依靠量子计算机的发现，我们可以开发出与当前信息技术软件革命相匹配的硬件。超快计算机会大大促进在太空研究、化学、医疗等领域的发现。”
哈桑与亚利桑那大学的同事尼古拉·戈露贝夫（物理助理教授）、穆罕默德·塞纳里（研究光学和物理的研究生）、贾利尔·沙阿（物理博士后研究员）和云明瑞（光学研究生）一起工作。他们还与加州理工学院的喷气推进实验室和德国慕尼黑的路德维希·马克西米利安大学的同事合作。
该团队最初研究了修改过的石墨烯样本的导电性，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料。当激光照射在石墨烯上时，激光的能量激发材料中的电子，使它们移动并形成电流。
有时，这些电流会相互抵消。哈桑表示，这种情况发生是因为激光的能量波上下移动，在石墨烯的两侧产生相等且相反的电流。由于石墨烯的对称原子结构，这些电流彼此镜像并相互抵消，导致没有可检测的电流。
但如果一个单一电子能够穿过石墨烯，并且它的旅程能够被实时捕捉和追踪呢？这种接近瞬时的“隧穿”是团队修改不同石墨烯样本的意外结果。
“这就是我最喜欢科学的地方：真正的发现来自于那些你意想不到的事情，”哈桑说。“进入实验室时，你总是会预测会发生什么——但科学的真正美在于那些发生的小事情，它们促使你进一步探究。一旦我们意识到我们实现了这种隧穿效应，我们就必须了解更多。”
研究人员使用了一种经过特殊硅层改造的商业化石墨烯光电晶体管，利用每秒切换638阿秒的激光，创造了哈桑所称的“世界上最快的佩托赫兹量子晶体管”。
晶体管是一种作为电子开关或放大器的设备，控制两点之间的电流流动，是现代电子发展的基础。
“作为参考，单个阿秒是十亿分之一秒，”哈桑说。“这意味着这一成就代表了在实现佩托赫兹速度晶体管的超快计算机技术发展上的一次重大飞跃。”
虽然某些科学进展发生在严格的条件下，包括温度和压力，但这个新晶体管在常温条件下工作——为商业化和日常电子产品的使用打开了道路。
哈桑正在与技术启动亚利桑那合作，该办公室与研究人员合作商业化亚利桑那大学研究所产生的发明，以便为创新申请专利和市场化。虽然最初的发明使用了一种专业激光，但研究人员正在进一步开发与商业可用设备兼容的晶体管。
“我希望我们能够与行业合作伙伴合作，实现这一佩托赫兹速度的微芯片晶体管，”哈桑说。“亚利桑那大学已经以世界上最快的电子显微镜而闻名，我们也希望以第一款佩托赫兹速度的晶体管而闻名。”
