Максимум возможностей: существует ли у современных компьютеров предел скорости
У любой вычислительной системы есть предел. Ученые обнаружили, что оптоэлектронные устройства ограничены в своих способностях самой квантовой физикой
Хорошо известно, что нет ничего быстрее света, и эта догма справедлива для электронных систем, использующих свет для управления движением зарядов. Такие системы называются оптоэлектронными и являются самыми быстрыми из всех в плане передачи данных. И в своем исследовании ученые из Института квантовой оптики Макса Планка определили верхний предел того, насколько быстрыми могут быть такие системы.
Для этого авторы проводили эксперименты с использованием полупроводниковых материалов и лазеров. В ходе них полупроводник бомбардировался ультракоротким лазерным импульсом, который переводил электроны в материале в более высокое энергетическое состояние, «выбивая» их из атомов и позволяя свободно перемещаться внутри структуры. Затем второй, чуть более длинный лазерный импульс посылал частицы в определенном направлении, генерируя тем самым электрический ток.
Используя эту технику, а также сложное компьютерное моделирование, команда поражала полупроводники все более короткими лазерными импульсами. В какой-то момент этот процесс начал сталкиваться с принципом неопределенности Гейзенберга — квантовыми законом, согласно которому нельзя одинаково точно измерить импульс частицы и ее положение в пространстве в конкретный момент времени.
Максимальный предел скорости современных устройств
В этом случае использование более коротких лазерных импульсов означает, что наблюдатели могут точно сказать, когда электроны получают энергию, но количество этой энергии остается неопределенным. И это серьезная проблема для электронных устройств, потому что незнание точных энергий электронов не позволяет управлять ими.
Исходя из этого, команда вычислила абсолютный верхний предел скорости оптоэлектронных систем – один петагерц, то есть миллион гигагерц (1015 Гц). Это жесткий предел, который невозможно обойти, потому что барьер заложен в самих законах квантовой физики.