レーザー光がコンピューターの動作を100万倍速くする

By Meins Photography

スマートフォンやPCの心臓部にあるCPUでは、0と1のデジタル信号が1秒間に10億回以上も処理されています。そんな状態でも、さまざまな要因で「このスマホ、動作遅いなぁ……」と思ってしまうこともある中、新たに「レーザー光」を使うことで従来のプロセッサの100万倍も高速に動作できる可能性を示す新技術が開発されています。

Lasers Could Make Computers 1 Million Times Faster
https://www.space.com/40622-laser-computer-speed-quantum.html

この研究は、ミシガン・カレッジ・オブ・エンジニアリング大学の研究チームが進めてきたものです。チームでは、六角形の格子状に作られた特殊な構造にレーザー光による光のパルスを照射することで、極めて高速に0と1の状態を作り出すことができる技術の基礎を作り上げました。

その「高速」がどれほどのものなのかというと、1秒間に書きかえられる回数は「1×10の15乗回」というもの。数字を並べると「1,000,000,000,000,000」で、日本語の桁で表すと、「1秒間に千兆回」というとてつもない単位に。これは、現代のプロセッサよりも100万倍速い性能を実現することが可能になるとのこと。

この実験では、タングステンとセレニウムの原子が交互に並んでハニカム形状を構成する格子上に、赤外レーザー光をパルス状に高速に点滅照射することで、0と1のビット状態を再現しています。そしてこの時、ビット状態を再現するのは「電子のトラックの位置」であるとのこと。

ほとんどの分子では、原子を取り巻く軌道にある電子が刺激を受けて興奮状態(励起(れいき)状態)に置かれると、複数の量子状態「擬似スピン」の状態に変化します。これは、原子を取り巻く電子周回トラックが複数あり、励起された電子がとなりのトラックへとジャンプするようなものとイメージすれば良いとのこと。励起されていない時、電子は分子の近くに留まり、安定的に周回を行います。しかし、レーザー光などの刺激を受けることで電子は励起され、通常の外側のトラックに移ってそのエネルギーを消費する必要が生じます。

タングステンとセレニウムの格子は、この励起された電子が入ることができるトラックを2つだけ有しています。この格子に対し、ある配向のレーザー光をパルス照射すると電子は一方のトラックに入り、別の配向のレーザー光を照射すると今度はもう一方のトラックへと移動するとのこと。すると、理論的にはどちらのトラックに電子が存在しているかによって0と1を再現するデジタル信号となります。

この時、励起されて別のトラックに移動した電子が再び元のトラックに戻るまでに要する時間は1フェムト秒(1000兆分の1秒)であるとのこと。これを利用して、パルスを与えるタイミングによって「1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1」というような状態を作り出すことで、コンピューターが扱う情報に利用することが可能になります。そしてこの動作が極めて高速であるというのが、新しい「レーザーコンピューター」が超高速で動作できるとする根底となっています。

研究チームはまた、この格子が「常温量子コンピューティング」に利用できる可能性を示しています。一般的に、量子コンピューターは電子のノイズをシャットアウトするために絶対零度近くにまで冷却する必要があり、実用化に向けてまだまだ数多くの課題を残しています。しかし今回の研究チームは、理論的にはこの格子内の電子を1および0の「重ね合わせ」の状態に励起することが可能であると示唆してます。

実際にレーザー光を使った新型コンピューティングデバイスが形になるまでにはまだ時間がかかりそうですが、「ムーアの法則」が限界に達したとされる現代のコンピューター技術から次のステップへとジャンプアップするための技術となる可能性が秘められています。

By Morten Nielsen