電子器件運(yùn)行的工作速度還能有多快？

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我們知道，隨著計(jì)算機(jī)芯片規(guī)模越來(lái)越小、工作時(shí)間效率在持續(xù)加快，未來(lái)也將很快遇到物理限制。與此同時(shí)，讓量子計(jì)算處理器在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電流同樣耗費(fèi)大量時(shí)間，這就限制了信號(hào)生成和信號(hào)傳輸?shù)乃俣取?/p>

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現(xiàn)在，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）、奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)（TU Graz）以及德國(guó)馬克斯?普朗克量子光學(xué)研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的研究人員們找到了電子器件運(yùn)行速度的絕對(duì)上限：盡管使用激光脈沖以最佳方式激發(fā)材料，速度也絕對(duì)不會(huì)超過(guò)1拍赫茲（100萬(wàn)吉赫茲）。該研究成果目前已發(fā)表在《Nature Communications》（《自然通訊》）雜志上。

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該研究團(tuán)隊(duì)采用了半導(dǎo)體材料和激光器，其具體實(shí)驗(yàn)方法為：通過(guò)超短激光脈沖射入半導(dǎo)體材料，將材料中的電子轉(zhuǎn)換為更高能量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)；隨后，電子門(mén)將由第二個(gè)略長(zhǎng)的激光脈沖推動(dòng)，沿特定方向移動(dòng)形成電流，通過(guò)材料兩側(cè)的電極可檢測(cè)到該電流。

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維也納工業(yè)大學(xué)Christoph Lemell教授說(shuō)：“整個(gè)過(guò)程發(fā)生的時(shí)間非常短，以阿秒或飛秒為單位。我們需要來(lái)研究這些超快過(guò)程中的時(shí)間演變，這其中涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題有：材料對(duì)激光的反應(yīng)速度有多快？信號(hào)產(chǎn)生需要多長(zhǎng)時(shí)間？下一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生的間隔時(shí)間是多久？”

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通過(guò)這種技術(shù)以及復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，研究人員們采用越來(lái)越短的激光脈沖射擊半導(dǎo)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)一個(gè)經(jīng)典的不確定性困境：為了提高速度，研究人員們需要極短的紫外激光脈沖以更快速地產(chǎn)生自由電荷載流子，然而觀察者們可以準(zhǔn)確地判斷電子在何時(shí)獲得能量，但并不能確定電子獲得的能量大小。

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這對(duì)于電子器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——不能確定電子的能量意味著無(wú)法精確地控制電子。同時(shí)，產(chǎn)生的電流信號(hào)會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象，尤其是在高激光強(qiáng)度下。

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維也納工業(yè)大學(xué)理論物理研究所的Joachim Burgd?rfer教授表示：“實(shí)驗(yàn)表明，大約1拍赫茲（100萬(wàn)吉赫茲）是光電系統(tǒng)控制速度的絕對(duì)上限，這是一個(gè)硬性限制?！蓖瑫r(shí)，他還指出，理解該硬性限制可以幫助開(kāi)發(fā)出更好的電子器件，但很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能并不需要擔(dān)心這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵诠怆娫O(shè)備達(dá)到PHz的領(lǐng)域之前，其他技術(shù)的限制更為突出。

原文鏈接：

https://newatlas.com/electronics/absolute-quantum-speed-limit-electronics/

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29252-1

文：Newatlas
編譯：李每編輯：慕一
注：本文編譯自“?Newatlas”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。