新研究科学家计算出电子器件量子运行速度的绝对上限

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　　电子器件运行的工作速度还能有多快？
　　我们知道，随着计算机芯片规模越来越小、工作时间效率在持续加快，未来也将很快遇到物理限制。与此同时，让量子计算处理器在半导体材料中产生电流同样耗费大量时间，这就限制了信号生成和信号传输的速度。
　　现在，奥地利维也纳工业大学（TU Wien）、奥地利格拉茨工业大学（TU Graz）以及德国马克斯・普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的研究人员们找到了电子器件运行速度的绝对上限： 尽管使用激光脉冲以最佳方式激发材料，速度也绝对不会超过1拍赫兹（100万吉赫兹）。 该研究成果目前已发表在《Nature Communications》（《自然通讯》）杂志上。
　　该研究团队采用了半导体材料和激光器，其具体实验方法为： 通过超短激光脉冲射入半导体材料，将材料中的电子转换为更高能量状态，实现自由移动；随后，电子门将由第二个略长的激光脉冲推动，沿特定方向移动形成电流，通过材料两侧的电极可检测到该电流。
　　图片演示了超短激光脉冲（蓝色）如何以半导体能量提供电子，以及第二个激光脉冲（红色）将它们发送到特定方向以产生电流（图片来源：维也纳工业大学）
　　维也纳工业大学Christoph Lemell教授说：＂整个过程发生的时间非常短，以阿秒或飞秒为单位。我们需要来研究这些超快过程中的时间演变，这其中涉及到的关键问题有：材料对激光的反应速度有多快？信号产生需要多长时间？下一个信号产生的间隔时间是多久？＂
　　通过这种技术以及复杂的计算机模拟，研究人员们采用越来越短的激光脉冲射击半导体进行实验验证。但在该实验过程中，出现一个经典的不确定性困境： 为了提高速度，研究人员们需要极短的紫外激光脉冲以更快速地产生自由电荷载流子，然而观察者们可以准确地判断电子在何时获得能量，但并不能确定电子获得的能量大小。
　　这对于电子器件来说是一个关键问题——不能确定电子的能量意味着无法精确地控制电子。同时，产生的电流信号会发生失真现象，尤其是在高激光强度下。
　　维也纳工业大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授表示：＂实验表明，大约1拍赫兹（100万吉赫兹）是光电系统控制速度的绝对上限，这是一个硬性限制。＂同时，他还指出， 理解该硬性限制可以帮助开发出更好的电子器件，但很长一段时间内可能并不需要担心这个问题，因为在光电设备达到PHz的领域之前，其他技术的限制更为突出 。
　　原文链接：
　　https://newatlas.com/electronics/absolute-quantum-speed-limit-electronics/
　　论文链接：
　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-29252-1
　　文： Newatlas
　　编译：李每
　　编辑：慕一
　　注：本文编译自＂ Newatlas＂，不代表量子前哨观点。