تتطلب محاكاة النماذج العلمية المعقدة على الكمبيوتر أو معالجة كميات كبيرة من البيانات مثل تحرير مواد الفيديو قدرًا كبيرًا من الطاقة والوقت. لذلك قام باحثون من "The Chair of Laser Physics" في جامعة فريدريش ألكسندر (FAU)، وفريق من جامعة روتشستر في نيويورك، بإثبات كيف يمكن زيادة سرعة عمليات الحاسوب الأساسية إلى ما يصل إلى مليون مرة أسرع من خلال الاستخدام المستقبلي لنبضات الليزر. ونُشرت النتائج التي توصلوا إليها في مجلة نيتشر العلمية في 11 مايو 2022.

تُعطى سرعة الحوسبة لمعالجات الكمبيوتر والهواتف الذكية اليوم من خلال ترانزستورات التأثير الميداني. ولصنع أجهزة أسرع، يتم تقليل حجم هذه الترانزستورات باستمرار لتناسب أكبر عدد ممكن من الأجهزة معًا على الرقائق.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الحديثة بالفعل بسرعة مذهلة تصل إلى عدة جيجاهيرتز، التي تتوافق مع عدة مليارات من العمليات الحسابية في الثانية. يبلغ حجم أحدث الترانزستورات 5 نانومتر فقط، وهو ما يزيد قليلاً عن بضع ذرات. بينما الشركات المصنعة للرقائق محدودة وفي وقت ما لن يكون من الممكن جعل الترانزستورات أصغر.

ولأن الضوء أسرع؛ يعمل الفيزيائيون بجهد كبير للتحكم في الإلكترونيات باستخدام موجات الضوء، حيث يستمر تذبذب الموجة الضوئية حوالي واحد فيمتو ثانية، أي جزء من المليون من المليار من الثانية.

يمكن أن يؤدي التحكم في الإشارات الكهربائية بالضوء إلى جعل أجهزة الكمبيوتر في المستقبل أسرع بمليون مرة، وهذا هو الهدف من معالجة إشارة بيتاهيرتز أو إلكترونيات الموجات الضوئية.

من موجات الضوء إلى النبضات الحالية

تعمل الإلكترونيات على نقل ومعالجة الإشارات والبيانات في شكل معلومات منطقية باستخدام المنطق الثنائي (1 و 0). يمكن أن تكون هذه الإشارات أيضًا في شكل نبضات حالية.

قام باحثون (FAU) بالتحقيق في كيفية تحويل موجات الضوء إلى نبضات حالية لعدة سنوات. في تجاربهم، ألقى الباحثون الضوء على بنية [{”سمة =” ”> الكترودات من الجرافين والذهب مع نبضات ليزر فائقة القصر. فأصبحت نبضات الليزر تحفز موجات الإلكترون في الجرافين، التي تتحرك نحو الأقطاب الكهربائية الذهبية حيث يتم قياسها كنبضات حالية ويمكن معالجتها كمعلومات.

واعتمادًا على مكان وصول نبضة الليزر إلى السطح، تنتشر موجات الإلكترون بشكل مختلف. ينتج عن ذلك نوعان من النبضات الحالية يعرفان بالشحنات الحقيقية والافتراضية.

يوضح الأمر توبياس بولاكي، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث في (FAU)، قائلًا: "تخيل أن الجرافين عبارة عن بركة وأن الأقطاب الكهربائية الذهبية عبارة عن حوض فائض. عندما يكون سطح الماء مضطربًا، سوف ينسكب بعض الماء من البركة. الرسوم الحقيقية مثل رمي حجر في منتصف البركة. سوف ينسكب الماء بمجرد وصول الموجة التي تم إنشاؤها إلى حافة البركة، تمامًا مثل الإلكترونات التي تثيرها نبضة ليزر في منتصف الجرافين".

ويستطرد توبياس: "الشحنات الافتراضية تشبه سحب المياه من حافة البركة دون انتظار تشكيل موجة. مع الإلكترونات، يحدث هذا بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن إدراكها، وهذا هو سبب تسميتها بالشحنة الافتراضية. في هذا السيناريو، سيتم توجيه نبضة الليزر إلى حافة الجرافين بجوار الأقطاب الكهربائية الذهبية ". يمكن تفسير كل من الرسوم الافتراضية والحقيقية على أنها منطق ثنائي (0 أو 1).

المنطق مع الليزر

تمكن علماء فيزياء الليزر في (FAU) من إثبات تجاربهم لأول مرة أنه يمكن استخدام هذه الطريقة لتشغيل بوابة منطقية - وهي عنصر أساسي في معالجات الكمبيوتر. تنظم البوابة المنطقية كيفية معالجة المعلومات الثنائية الواردة (0 و 1)، وتتطلب البوابة إشارتي إدخال، موجات إلكترون هنا من الشحنات الحقيقية والافتراضية، يتم تحفيزها بواسطة نبضتين ليزر متزامنتين. اعتمادًا على اتجاه وقوة الموجتين، يتم تجميع نبض التيار الناتج أو محوه.

يقول إجناسيو فرانكو من جامعة روتشستر: "هذا مثال ممتاز على الكيفية التي يمكن أن تؤدي بها الأبحاث الأساسية إلى تطوير تكنولوجيا جديدة. من خلال النظرية الأساسية وارتباطها بالتجارب، اكتشفنا دور الشحنات الحقيقية والافتراضية التي فتحت الطريق أمام إنشاء بوابات منطقية فائقة السرعة".

أما عن الوقت الذي سيبدأ فيه استخدام التقنية الجديدة، يقول توبياس: "من المحتمل أن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتم استخدام هذه التكنولوجيا على شريحة كمبيوتر. لكننا نعلم على الأقل أن إلكترونيات الموجات الضوئية هي تقنية مجدية ".