Les lasers pourraient rendre les ordinateurs 1 million de fois plus rapide

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Un milliard d’opérations par seconde pour un ordinateur c’est pas cool. Vous voulez savoir ce qui serait cool? Un million de milliards d’opérations par seconde.

C’est la promesse d’une nouvelle technique de calcul qui utilise des impulsions de lumière laser pour faire un prototype de l’unité fondamentale de calcul, appelée un bit, qui pourrait basculer entre ses états marche ou arrêt, ou « 1 » et « 0 », 1 quadrillion fois par seconde. C’est environ 1 million de fois plus rapide que les bits dans les ordinateurs modernes.

Les ordinateurs conventionnels (de votre calculatrice à votre smartphone ou l’ordinateur portable que vous utilisez pour lire ceci) calculent en termes de 1 et 0. Tout ce qu’ils font, c’est de la résolution de problèmes mathématiques à la représentation du monde d’un jeu vidéo, cela revient à une collection très élaborée d’opérations à 1 ou 0, oui ou non. Et un ordinateur typique en 2018 peut utiliser des bits de silicium pour effectuer plus ou moins 1 milliard de ces opérations par seconde.

Dans cette expérience, les chercheurs ont pulsé la lumière laser infrarouge sur des réseaux en nid d’abeille de tungstène et de sélénium, permettant à la puce de silicium de passer de « 1 » à « 0 » comme un processeur d’ordinateur normal – seulement un million de fois plus rapide.

Dans la plupart des molécules, les électrons en orbite autour d’eux peuvent sauter dans plusieurs états quantiques différents quand ils sont excités. Une bonne façon d’imaginer ces états est aussi différente, en faisant des boucles de piste autour de la molécule elle-même. (Les chercheurs appellent ces pistes « vallées », et la manipulation de ces boucles « valléetronics ».)

Quand il n’est pas excité, l’électron peut rester proche de la molécule et tourner en cercles plus lentement. Mais excitez cet électron, peut-être avec un éclair de lumière, et il aura besoin d’aller brûler de l’énergie sur l’une des pistes extérieures.

Le réseau de tungstène-sélénium n’a que deux pistes autour de lui pour permettre aux électrons d’entrer en excitation. Si on flash la surface avec un rayon infrarouge, l’électron va sauter sur la première piste. Si on la flash avec une orientation différente de la lumière infrarouge, l’électron va sauter sur l’autre piste. Un ordinateur pourrait, en théorie, traiter ces pistes comme des 1 et des 0. Quand il y a un électron sur la piste 1, c’est un 1. Quand c’est sur la piste 0, c’est un 0.

Fondamentalement, ces pistes (ou vallées) sont proches les unes des autres, et les électrons n’ont pas besoin de courir dessus très longtemps avant de perdre de l’énergie. Si on flash la surface avec la lumière infrarouge de type un, l’électron va sauter sur la piste 1, mais il ne fera que l’encercler pendant « quelques femtosecondes », avant de retourner à son état non excité dans les orbitales plus proches du noyau. Une femtoseconde est un milliard de millionième de seconde, pas même assez longtemps pour qu’un rayon de lumière traverse un seul globule rouge.

Ainsi, les électrons ne restent pas longtemps sur la piste, mais une fois qu’ils sont sur une piste, des impulsions de lumière supplémentaires vont les faire basculer entre les deux pistes avant qu’elles aient une chance de retomber dans un état non excité. Ce jeu de va-et-vient, 1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 – encore et encore dans des flashs incroyablement rapides – est l’essence de l’informatique. Mais dans ce genre de matériel, les chercheurs ont démontré que les informations pourraient être traitées plus rapidement que dans les puces contemporaines.

Les chercheurs ont également soulevé la possibilité que ces outils de test pourraient être amélioré et utilisé pour l’informatique quantique à température ambiante. C’est une sorte de Saint-Graal pour l’informatique quantique, puisque la plupart des ordinateurs quantiques existants exigent que les chercheurs refroidissent leurs bits quantiques jusqu’à presque zero absolu. la température la plus froide possible. Les chercheurs ont montré qu’il est théoriquement possible d’exciter les électrons dans ce réseau à des « superpositions » des pistes 1 et 0 – ou des états ambigus sur les deux pistes en même temps – qui sont nécessaires pour effectuer des calculs quantiques.

« A long terme, nous voyons une chance réaliste d’introduire des dispositifs d’information quantique qui effectuent des opérations plus rapidement qu’une simple oscillation d’une onde lumineuse », a déclaré l’auteur principal de l’étude Rupert Huber, professeur de physique à l’université de Ratisbonne en Allemagne. Cependant, les chercheurs n’ont pas effectué d’opérations quantiques de cette façon, donc l’idée d’un ordinateur quantique à température ambiante est encore entièrement théorique. Et en fait, les opérations classiques (de type régulier) que les chercheurs ont effectuées sur leur matériels n’étaient que des commutations 1 et 0 sans sens, allant et venant. Le matériel n’a toujours pas été utilisé pour calculer quoi que ce soit. Ainsi, les chercheurs doivent encore démontrer qu’il peut être utilisé dans un ordinateur pratique.

Pourtant, l’expérience pourrait ouvrir la porte à l’informatique conventionnelle ultrarapide – et peut-être même à l’informatique quantique – dans des situations impossibles à réaliser jusqu’à présent.

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