激光助力超快计算：飞秒逻辑门诞生，计算机速度提升百万倍

进一步发展电子和信息处理，使之以接近自然法则允许的最快时间尺度运行，是科学界长期以来的一大主流方向。而要实现这一目标，使用激光来引导物质中的电子运动，然后利用这种控制来开发电子电路元件成为了一种颇具潜力的方法——这种概念就叫光波电子学。

虽然激光目前可以在飞秒（十亿分之一秒的百万分之一）的时间尺度上产生脉冲，但在这些超快时间尺度上处理信息的能力却仍然难以捉摸。不过最近，罗切斯特大学和Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg (FAU)的研究人员在这个方向上迈出了决定性的一步，他们展示了一个逻辑门（计算和信息处理的组成部分），它可以在飞秒的时间尺度上运行。

发表在《自然》(Nature)杂志上的这一壮举，是通过首次利用和独立控制构成这些超快电脉冲的真实和虚拟载流子实现的。这打开了在千兆赫兹(petahertz)极限下进行信息处理的大门，预计未来每秒可以处理1千万亿次计算操作，几乎比当下以兆赫兹（gigahertz）频率运行的计算机快一百万倍。

图片来源：University of Rochester

罗切斯特大学化学和物理副教授Ignacio Franco与博士生Antonio José Garzón-Ramírez '合作进行了带来这一发现的理论研究，他们认为，这是基础科学如何导致新技术的一个很好的例子。

近年来，科学家们已经学会了如何利用持续几飞秒的激光脉冲来产生超快电流。例如，通过照亮连接两种黄金金属的微小石墨烯导线可以实现这一点。超短激光脉冲激发石墨烯中的电子运动，并将它们发送到一个特定的方向，从而产生净电流。

值得一提的是，激光脉冲产生电能具有明显的优势：首先，它的速度比任何传统方法都要快得多，而且是在没有施加电压的情况下。此外，只需改变激光脉冲的形状(即改变其相位)，就可以控制电流的方向和大小。

多年来，罗切斯特大学Franco领导的研究小组和佛罗里达大学的彼得·霍梅尔霍夫（Peter Hommelhoff）一直致力于将光波转化为超快电流脉冲。在试图调和Erlangen的实验测量和Rochester的计算模拟时，研究小组观察发现：在金-石墨烯-金（gold-graphene-gold）连接中，有可能产生两种“真实的”和“虚拟的”携带电荷的粒子，这些粒子构成了这些突发的电流。

“真正的”载流子指的是是被光激发的电子，即使在激光脉冲关闭后，这些电子仍保持定向运动。而“虚拟的”载流子是指在激光脉冲开启时只进行净方向运动的电子，它们只能在光照下短暂存在。最后，由于石墨烯与金连接，真实和虚拟载流子都会被金属吸收，从而产生净电流。

研究小组惊人地发现，通过改变激光脉冲的形状，他们可以在只有真实或虚拟载流子起作用的地方产生电流。换句话说，他们不仅产生了两种电流，而且还学会了如何独立控制它们，这一发现极大地增强了光波电子的设计潜力。

利用这种增强的控制场景，该团队能够通过实验首次演示在飞秒时间尺度上运行的逻辑门。逻辑门是计算所需的基本构造块，它们可以控制如何处理以0或1(称为位)的形式传入的信息。逻辑门需要两个输入信号，并产生一个逻辑输出。

在研究人员的实验中，输入信号是两个同步激光脉冲的形状或相位，每个激光脉冲被选中只产生一束真实或虚拟的载流子。根据所使用的激光相位，这两种对电流的贡献可以相加或抵消。网络电信号可以被分配逻辑信息0或1，产生超快逻辑门。

佛罗里达大学领导这项实验的博士生Tobias Boolakee表示，这项技术要应用于计算机芯片可能还需要很长一段时间，但至少目前已经证明光波电子学实际上是可行的，研究结果为超高速电子和信息处理铺平了道路。Ignacio Franco教授则指出，这个逻辑门的神奇之处在于，运算是以千兆赫来执行的，比普通计算机快一百万倍——这是因为所使用的激光脉冲非常短，发生在十亿分之一秒内。

这项具有潜在变革性的新技术，源于对如何用激光在纳米尺度系统中驱动电荷的基础研究。通过基本理论及其与实验的联系，研究人员们阐明了虚拟和真实电荷载流子在激光感应电流中的作用，这为创建超快逻辑门开辟了道路。

事实上，这项研究涵盖了Ignacio Franco教授超过15年的研究心血。2007年，作为多伦多大学的博士生，他设计了一种方法，使暴露在飞秒激光脉冲下的分子线产生超快电流。后来在2013年他们又针对这一最初的建议进行了实验，Franco小组在2018年的一项研究中解释了实验背后的详细机制。从那时起，这个领域就出现了“爆炸性”的实验和理论增长。