Světelná magie v elektronice. Kredit: Stephen Alvey, Michigan Engineering.

Polovodičové počítače nejsou špatné. Dovedou spoustu věcí. Jsou rychlé. Ale víme, že by mohly být ještě mnohem rychlejší. Názorně to předvedl mezinárodní tým vědců, který vedl fyzik Rupert Huber z Univerzity v Řezně. Pomocí pulzů infračerveného laseru manipulovali s elektrony v tenké vrstvě polovodiče a mohli měnit jeden jejich specifický stav mezi dvěma polohami, které označili 0 a 1.

Vtip je v tom, že běžná elektronika dělá podobné věci na frekvenci gigahertzů, tedy v řádu miliard operací za sekundu. Jak říká člen badatelského týmu Mackillo Kira z Michiganské univerzity, jejich metoda s laserem je milionkrát rychlejší. Jejich výzkum

Rupert Huber. Kredit: Universität Regensburg

nejspíš nemohl skončit jinde, než v časopisu Nature.

V dnešní době se už všichni těší na kvantové počítače. Mohly by řešit problémy, které jsou pro křemíkové počítače příliš komplexní, počínaje pokročilou umělou inteligencí, až po výzkum struktury léčiv nebo předpovídání počasí. Kvantové počítače nejsou omezovány nulami a jedničkami, ale mohou využívat qubity, které zahrnují superpozice, tedy stavy tak trochu mezi 0 a 1. V některých typech výpočtů by kvantové počítače měly být fantasticky rychlé.

Ilustrace pseudospinů elektronů. Kredit: Stefan Schlauderer / Universität Regensburg.

Jenže qubity jsou také extrémně křehké. Vývojáři kvantových počítačů od Intelu, IBM nebo Microsoftu používají supravodivé komponenty, které fungují jen za velice nízkých teplot. Jen tak v nich udrží elektrony ve stavu kvantové koherence. Huber a spol. se nesnaží udržet kvantové stavy po dlouhou dobu, ale snaží se do děje zasáhnout předtím, než se kvantové stavy zhroutí.

Podle Hubera je realistická šance, že se podaří vyvinout kvantovou elektroniku, která bude operovat rychleji, než kolik činí jedna oscilace vlny záření. A jim se to slušně daří. Pracují s materiálem, který je relativně snadní vyrobit, funguje jim to při pokojové teplotě a vzhledem k tloušťce materiálu, která odpovídá pár atomům, je celá technologie velice miniaturní.

Huberův tým používá materiál z atomů wolframu a selenu, které jsou uspořádané do šestiúhelníkového vzoru v jedné vrstvě. Taková struktura vytváří specifické stavy párů elektronů, které se označují jako pseudospiny. Není to klasický spin částic, ale určitý druh momentu hybnosti elektronů. Dva stavy pseudospinu přitom odpovídají nule a jedničce.

Badatelé působili na elektrony v tomto materiálu femtosekundovými, tedy extrémně rychlými pulzy infračerveného laseru. První pulz laseru nastavil elektrony do jednoho ze dvou stavů pseudospinu. Další pulzy laseru pak mohly elektrony přenastavit do druhého ze stavů a pak zase zpátky.

Pokud by někdo vyrobil počítač, který bude tuto technologii využívat k výpočtům, tak by byl asi tak milionkrát rychlejší, nežli soudobé počítače. Ještě lepší je, že vhodnými laserovými pulzy by bylo možné zapojit elektrony do výpočtů ve stavech superpozice. Experimenty ukazují, že by pak taková technologie deformace elektronové struktury, označovaná jako valleytronika, mohla fungovat jako kvantový procesor při pokojové teplotě. 

Video:  Lightwave Valleytronics: Using Electron Momentum in 2-D Semiconductors


Video:  2DCC-MIP Topical Valleytronics Bilayer Graphene Webinar Nov. 2017


Literatura
University of Michigan 3. 5. 2018, Nature 557: 76–80.