Det finns många förslag på hur framtidens transistorer och processorer kan fungera, bland annat traditionella transistorer med andra material eller för den delen enstaka atomer. En grupp forskare presenterar nu ytterligare ett alternativ – ljustransistorer.
Moores lag har sakta men säkert börjat tappa precision, och alla industrins halvledartillverkare är överens om att nya material och tekniker behövs för att ta över efter gamla trotjänaren kiseltransistorn, som varit med och byggt upp det informationssamhälle vi lever i idag. Andra material än kisel är ett steg på vägen, men i längden kan vi behöva tänka om helt och hållet vad gäller hur vår elektronik fungerar.
Gemensamt för de flesta föreslagna efterträdarna till kiseltranistorn är att de i grunden bygger på samma princip, en elektrisk brytare som kan öppnas och stängas genom att applicera en styrspänning. Målet med att använda nya material är att kunna bygga transistorerna mindre och öka energieffektiviteten bland annat genom bättre ledningsförmåga.
Problemet är att även dessa transistorer förr eller senare kommer stöta på samma hinder, nämligen strömläckage. Elektroner är elementarpartiklar och lyder under kvantmekaniska lagar, och till följd har elektroner förmågan att “låna” energi ur till synes tomma intet, och med denna energi kunna ta sig igenom exempelvis en stängd transistorport.
Det beror på Heisenbergs osäkerhetsprincip, vilken kan trubbigt i det här sammanhanget kan beskrivas som att ingen kan veta både en partikels position och rörelsemängd (produkten av en partikels massa och hastighet) samtidigt med total precision – inte ens universum självt. Ett uttryck av osäkerhetsprincipen som är särskilt viktig för elektronik och partikelfysik gäller för två andra variabler, nämligen energi och tid.
Grafisk representation av tunnlande elektroner. Bild: “Yuvalr”
I praktiken har detta beteende effekten att en partikel, exempelvis en elektron i en transistor, kan “låna” energi för att ta sig över hinder som annars inte varit möjliga, men den kan bara behålla energin en väldigt kort stund. Denna effekt kallas för kvanttunnling – ju mer energi, desto kortare stund kan en partikel dra nytta av den. Men det är tillräckligt för att en elektron ska vara alldeles för svår att hålla reda på i tillräckligt liten skala, så länge inte varje elektron ständigt observeras.
Kvantdatorn erbjuder en lösning på horisonten
Så frågan är hur man löser det här problemet, då Heisenbergs osäkerhetsprincip hittills visat sig vara obräcklig. Det kommer dröja många år innan kvanttunnling helt sätter stopp för elektrontransistorer som vi känner till dem, men förr eller senare är det en hinder vi kommer behöva ta oss över.
Det populäraste förslaget är kvantdatorer, som drar nytta av kvanteffekter snarare än undviker dem. En kvantdator använder sig av kvantbits, eller qbits, och till skillnad från vanliga datorer som kan uttrycka information som 1 eller 0 så kan en kvantdator genom vad som kallas för superpositionering uttrycka både 1 och 0 samtidigt – helt enkelt för att kvantmekaniken tillåter att partiklar under vissa omständigheter kan inneha två lägen på samma gång.
Kvantdatorer ger teoretiskt väldigt lovande prestanda, men svåra att tygla och ännu finns ingen på allvar skalbar variant som klarar av att uppfylla de förhoppningar som finns.
Vad en grupp forskare från MIT i samarbete med Harvard och Vienna University of Technology nu föreslår är en transistormodell som kan fungera för både klassiska datorer och kvantdatorer genom att använda ljus istället för elektroner.
Speglar istället för portar
En nyckel till modellen är att ljus likt elektroner kan beskrivas dels som partiklar, kallade fotoner, och dels som vågor – och därmed beter sig olika beroende på scenario. Till skillnad från elektroner så har fotoner ingen massa (eller vilomassa, mer specifikt), vilket tillåter dem att färdas så fort som de gör, och inte heller någon elektrisk laddning. Som följd kan fotoner endast interagera genom att absorberas eller reflekteras.
Forskarna, ledda av professor Vladan Vuletic har presenterat sin modell i form av två högreflektiva speglar monterade bredvid varandra på ett avstånd som motsvarar våglängden på ljuset som används. På så sätt kan ljuset precis passera mellan speglarna och bete sig som en partikel som tar sig rätt igenom eller en våg som breder ut sig genom luckan ut till andra sidan.
Vad som gör att det hela kan fungera som en transistor och reglera ljusflödet vid behov är en nedkyld gas med cesiumatomer som finns mellan speglarna. I vanliga fall passerar ljuset rakt igenom gasen, men om en enda foton med en väldigt specifik våglängd skickas in från en annan vinkel, kallat en portfoton eller “gate photon”, så kommer den att absorberas av en av cesiumatomerna.
Resultatet är att cesiumatomen i fråga hamnar i ett högre energiläge. En enda atom i ett högre energiläge räcker för att ljuset inte längre ska kunna passera mellan speglarna utan nu istället reflekteras helt och hållet. Cesiumatomen är bara i sitt högre energiläge i en bråkdels sekund och faller sedan tillbaka till sitt vanliga läge och släpper igenom ljus igen.
På så sätt kan forskarna styra ljusflödet väldigt snarlikt hur man styr elektronflödet i en transistor. Modellen ovan fungerar för traditionell information med läge 1 och 0, men kan även modifieras för att fungera för kvantdatorer genom att superpositionera fotonerna så att de både passerar och reflekteras – på samma gång.
Närmare än någonsin – men långt borta
Det finns flera fördelar med den här typen av transistor vid en eventuell implementering. Först och främst finns det inget strömläckage då det inte finns någon elektrisk ström inblandad. En foton påverkas inte heller på samma sätt av tunneleffekter och framför allt inte på ett sätt som påverkar systemet.
“Energy consumption in computing devices is a big issue. The beauty of this approach is that it can really do switching at the single-photon level, so your losses are much smaller. You don’t have to spend a lot of energy for each bit. Your bit is essentially included in a single photon.”
– Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik, Stanford University
Dessutom är dessa transistorer extremt energieffektiva i jämförelse med traditionella halvledartransistorer, och producerar näst intill obefintlig värme. En klassisk dator skulle kunna integreras på mindre ytor, med mindre energiåtgång. Ett annat förslag är exempelvis att integrera sådana transistorer i optisk fiber. För kvantdatorer är modellen ett särskilt viktigt framsteg då den är betydligt stabilare än många andra föreslagna lösningar.
“For the classical implementation, this is more of a proof-of-principle experiment showing how it could be done. One could imagine implementing a similar device in solid state – for example, using impurity atoms inside an optical fiber or piece of solid.”
– Vladan Vuletic, professor i fysik, MIT
Faktisk implementering kommer i så fall ske i ett annat typ av system men som följer samma principer, exempelvis en halvledare bestyckad med en kvantprick istället för cesiumgas. Men det är en betydelsefull bedrift att forskarna lyckats ta en tidigare helt teoretisk modell och demonstrera den praktiskt.
Det rör sig ju dock i allra högsta grad om grundforskning, och det är verkligen ingenting en persondator kommer ha möjlighet till eller för den delen behov av inom i alla fall de närmsta tio åren. Däremot är det ett stort steg framåt för kvantdatorer och kan mycket väl skynda på den utvecklingen ordentligt, för att inte tala om att tekniken kan fungera som en tillverkningsteknisk brygga mellan klassiska och kvantmekaniska datorer.
Källa: “All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon”. Science, 4 juli 2013, via MIT News
Oj! NHs egen professor har talat igen! Mycket intressant läsning! Hatten av till Carl.
Kan bara instämma med Tjalve. Mycket intressant läsning!
coolt! kanske får vi se alternativ till kisel lagom tills det är dags att pensionera dagens teknik