W dzisiejszym świecie łatwo można odnieść wrażenie, że elektronika będzie coraz szybsza w nieskończoność. Większość ludzi myśli, że nie istnieje granica prędkości dla urządzeń elektronicznych. W pewnym momencie prawa fizyki muszą jednak zainterweniować i położyć temu kres. Teraz naukowcy obliczyli ostateczny limit prędkości – punkt, w którym mechanika kwantowa nie pozwala mikrochipom stać się jeszcze szybszymi. To jeden petaherc, czyli milion gigaherców.
Powszechnie wiadomo, że nic nie porusza się szybciej niż światło, co odnosi się również do elektroniki. Układy wykorzystujące światło do sterowania elektrycznością, znane jako optoelektronika, są najszybszymi urządzeniami na świecie. W najnowszym badaniu naukowcy z TU Wien, TU Graz i Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka określili górną granicę prędkości, jaką może osiągnąć optoelektronika. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.
Jak sprawdzić, gdzie jest granica prędkości urządzeń elektronicznych?
Zespół przeprowadził eksperymenty z wykorzystaniem materiałów półprzewodnikowych i laserów. W półprzewodnik uderzali ultrakrótkim impulsem laserowym, który przenosi elektrony w stan wyższej energii, umożliwiając im swobodne poruszanie się. Następnie drugi, nieco dłuższy impuls laserowy wysyła je w określonym kierunku, wytwarzając tym samym prąd elektryczny.
Stosując tę technikę, a także skomplikowane symulacje komputerowe, zespół uderzał w półprzewodniki coraz krótszymi impulsami laserowymi. Jednak w pewnym momencie proces ten zaczyna zderzać się z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Jest to kwantowa zasada, która polega na tym, że im dokładniej zmierzy się jedną cechę cząstki, tym mniej można być pewnym innej.
W tym przypadku zastosowanie krótszych impulsów lasera oznacza, że obserwatorzy mogą dokładnie określić, kiedy elektrony zyskują energię, ale kosztem tego jest mniejsza pewność co do ilości energii, jaką zyskują. Jest to poważny problem dla urządzeń elektronicznych, ponieważ nie znając dokładnej energii elektronów, nie można nimi precyzyjnie sterować.
Na tej podstawie zespół naukowców obliczył górną granicę szybkości układów optoelektronicznych – jeden petaherc, czyli milion gigaherców. Jest to sztywna granica, której nie da się obejść, ponieważ jest ona wpisana w prawa fizyki kwantowej. Mechanika kwantowa to fascynujący temat, którym często zajmujemy się na naszym blogu. Zapraszamy do lektury naszych tekstów, na przykład „Czy komputer kwantowy Google stworzył kryształy czasu?”.
Petaherc jako ostateczne ograniczenie prędkości – to problem raczej teoretyczny
Oczywiście jest mało prawdopodobne, abyśmy kiedykolwiek musieli się martwić petahercem jako granicą prędkości urządzeń elektronicznych. Badacze twierdzą, że inne przeszkody technologiczne pojawią się na długo przed tym, zanim urządzenia optoelektroniczne teoretycznie byłyby zdolne osiągnąć poziom miliona gigaherców.
Zespół napisał, że „realna górna granica techniczna znajduje się najprawdopodobniej znacznie niżej. Chociaż praw natury determinujących ostateczne ograniczenia prędkości optoelektroniki nie da się przechytrzyć, można je teraz analizować i spróbować zrozumieć za pomocą nowych, zaawansowanych metod”. Znajomość tej twardej granicy może pomóc naukowcom i programistom lepiej rozumieć ograniczenia, z którymi pracują, i odpowiednio dostosowywać ich pracę.
Na naszym blogu wiele miejsca poświęcamy na najnowsze doniesienia z zakresu mechaniki kwantowej. Zainteresowanym zgłębieniem tego fascynującego tematu polecamy nasze teksty, na przykład „Jak obliczenia kwantowe mogą zmienić świat?”.
Źródło: Interesting Engineering, New Atlas i TU Wien