В течение уже достаточно долгого периода времени каждое новое поколение электронных устройств становится все меньшим и более производительным, чем предыдущее. В связи с этим возникает ощущение, что так и будет продолжаться до бесконечности, однако, на каком-то этапе в процесс совершенствования вмешаются ограничения фундаментальных законов физики и положат конец всему этому. И недавно одна группа ученых, произведя ряд расчетов и экспериментов, получила значение абсолютного квантового ограничения скорости, точки, по достижению которой законы квантовой механики будут препятствовать дальнейшему увеличению производительности электронных устройств.
Известно, что ничто в нашем мире не может перемещаться быстрее света, и это остается верным для электроники, точнее, для той ее части, где свет используется для управления электрическим током, для оптоэлектроники. С этой точки зрения оптоэлектроника может стать более быстрой, чем обычная электроника, и исследователи из Венского технологического университета, Технологического университета Граца и Института квантовой оптики Макса Планка определили верхний предел быстродействия, которого, в теории, могут достигнуть оптоэлектронные устройства.
Ученые провели ряд экспериментов, используя лазеры и различные полупроводниковые материалы. Короткие импульсы света лазера переводят электроны полупроводникового материала на более высокий энергетический уровень, что позволяет им перемещаться свободно. Затем второй, более длительный импульс лазерного света заставляет эти электроны двигаться в определенном направлении, за счет чего возникает электрический ток.
Во время экспериментов ученые постепенно сокращали длительность лазерных импульсов. Какое-то время описанная выше методика работала, но в определенный момент все нарушилось из-за вмешательства принципа неопределенности Гейзенберга. Напомним нашим читателям, что согласно этому странному квантовому парадоксу, чем точнее вы измеряете один из параметров квантовой частицы, тем меньше вы можете быть уверены в значениях других параметров этой же частицы.
В данном случае из-за вмешательства принципа неопределенности Гейзенберга ученые могут достаточно точно определить момент времени, когда электроны полупроводникового материала получают энергию от импульса лазерного света. Но вот количество этой энергии, из-за принципа неопределенности, может варьироваться. И это является главной проблемой для электронных устройств, ведь нестабильное значение энергии электронов означает отсутствие возможности управления ими.
Собрав необходимый объем данных, ученые вычислили абсолютный верхний предел быстродействия оптоэлектронных систем. И это значение оказалось равным одному петагерцу, миллиону гигагерц. По достижению таких частот работы электронных устройств дальнейшее увеличение станет принципиально невозможным из-за странных законов квантовой механики.
Конечно, весьма маловероятно то, что именно этот барьер станет непреодолимым препятствием в обозримом будущем. Скорее всего, в этом деле возникнут, и гораздо раньше, препятствия технологического плана, которые вынудят ученых искать какое-то другое направление развития отрасли электроники и информационных технологий.
