Wetenschap: Ultrafast quantum switching met licht en grafeen: ASML - ASMI - BESI
Onderzoekers onder leiding van Mohammed Th. Hassan hebben een grote stap gezet richting de toekomst van opto-elektronica. Dit staat in Nature.
In hun nieuwste werk tonen zij aan dat een fototransistor op basis van grafeen en silicium (Gr–Si–Gr) in staat is om aan en uit te schakelen in slechts 630 attoseconden, een snelheid die overeenkomt met 1,6 petahertz.
En dit alles onder kamertemperatuur en normale drukomstandigheden. Dit baanbrekende resultaat vormt een fundament voor een nieuwe klasse van lichtgestuurde quantumlogica.
Implicaties op deze doorbraak
Wat hier getoond is, gaat veel verder dan een verbetering van bestaande technologie. Het impliceert dat klassieke transistoren, die nu nog werken in gigahertz- of terahertzgebieden, overtroffen kunnen worden door een nieuw soort logica op basis van lichtgolven en quantumtunneling.
Dankzij grafeen en ultrakorte laserpulsen lukt het nu om stroom in minder dan een femtoseconde te moduleren. Dit opent de deur naar petahertz-processoren, optische quantumchips en compleet nieuwe rekenarchitecturen.
Bovendien is het bijzonder dat deze experimenten gewoon bij kamertemperatuur zijn uitgevoerd. Daarmee verdwijnt een belangrijke praktische barrière die veel quantumtoepassingen tot nu toe heeft afgeremd.
De schaalbaarheid lijkt haalbaar, en met gebruik van multi-channel structuren is het systeem bovendien programmeerbaar. Licht wordt daarmee niet alleen een drager van informatie, maar ook een directe schakelaar van logica.
Kritische punten
- Kapitaalintensieve infrastructuur
De gebruikte laserpulsen in het attosecondegebied zijn technisch zeer geavanceerd en vragen om dure apparatuur. Opschaling naar consumentenelektronica is vooralsnog onrealistisch. - Beperkte reproduceerbaarheid
Ondanks de spectaculaire resultaten is het nog onduidelijk hoe robuust en reproduceerbaar deze schakeling is in grootschalige integraties. - Interface tussen licht en klassieke elektronica
De brug tussen optische en elektrische systemen is nog pril. Hoe petahertz-logica naadloos kan samenwerken met bestaande chiparchitecturen moet nog worden uitgezocht.
Laserbron
De laserbron die hier gebruikt wordt (6,5 fs FWHM) vereist complexe optische opstellingen die alleen in gespecialiseerde laboratoria beschikbaar zijn. Dat maakt grootschalige fabricage voorlopig onhaalbaar.
Daarnaast moeten de resultaten op consistente wijze in een grotere array functioneren voordat commerciële toepassingen mogelijk zijn.
Ten slotte blijft het een uitdaging om de uitgaande optische signalen van zulke schakelaars te vertalen naar bruikbare elektronische signalen in conventionele circuits.
Implicaties voor industrie en technologie
ASML (lithografiesystemen)
Gevolgen
- ASML is momenteel essentieel voor het maken van chips met extreme ultraviolet (EUV)-lithografie.
- Als petahertz-logica op termijn tot nieuwe chiparchitecturen leidt (zoals lichtgestuurde logica of grafeen-structuren), zou het lithografieproces aangepast moeten worden.
- In een toekomst waarin grafeen of optische structuren op nanoschaal geproduceerd moeten worden, zou ASML’s expertise in extreme precisie en nanolithografie belangrijk kunnen blijven – mits ze zich aanpassen aan nieuwe materiaaleisen.
Conclusie: er is geen directe impact, maar op lange termijn kan ASML relevant blijven als ze mee-ontwikkelen met de technologie.
ASMI (depositorie en epitaxie voor halfgeleiders)
Gevolgen
- ASMI is sterk in Atomic Layer Deposition (ALD) en epitaxiale processen, die gebruikt worden om extreem dunne lagen materiaal op een wafer aan te brengen.
- Bij toepassingen met grafeen of andere 2D-materialen is precieze depositie cruciaal, zeker bij het maken van tunneling junctions of hybride structuren zoals Gr–Si–Gr.
- ASMI zou dus een rol kunnen spelen bij de fabricage van optisch-quantumgestuurde structuren, mits die processen grootschalig worden gecommercialiseerd.
Conclusie: ASMI zou mogelijk profiteren als hun ALD-technologie ingezet wordt bij nieuwe opto-elektronische structuren.
BE Semiconductor Industries (Besi)
Gevolgen
- Besi richt zich op geavanceerde chipverpakking en interconnecties (zoals hybrid bonding), cruciaal bij 3D-integratie.
- Bij het combineren van meerdere lichtgevoelige of opto-elektronische structuren op één chip, kan de verpakking complexer worden.
- Als meerkanaals fototransistors met afzonderlijke lichtadressen gebruikt gaan worden (zoals het artikel suggereert), dan zijn innovatieve verbindings- en verpakkingstechnieken nodig — hier kan Besi een rol in spelen.
Conclusie: Besi zou een belangrijke schakel kunnen zijn bij de integratie van optische logica in bestaande chipontwerpen.
Andere bedrijven en quantum
Nvidia en AI-processoren
NVIDIA kan in de toekomst profiteren van deze technologie door grafisch rekenwerk te combineren met optische logica. Vooral op het gebied van datacenters en AI-training zouden petahertz-logica en sub-femtoseconde schakelaars een revolutie betekenen. Denk aan lichtgestuurde tensorcores die in een fractie van een seconde logische operaties uitvoeren.
Micron Technology en geheugenoplossingen
Micron, actief in DRAM en NAND-opslag, zou toepassingen kunnen vinden in optisch aangestuurde geheugenmodules. Supersnelle toegangstijden op basis van lichtpulsen kunnen latency verminderen en energieverbruik verlagen, zeker in edge computing-toepassingen.
Quantum computing wordt concreter
Deze technologie brengt quantumlogica dichter bij klassieke integratie. Geen noodzaak meer voor vacuümkamers of absolute nultemperaturen: optische quantumlogica in een chip bij kamertemperatuur is revolutionair.
Conclusie
De demonstratie van attoseconde logica op kamertemperatuur met een grafeen-silicium-structuur markeert het begin van een nieuw tijdperk in de rekenkunde. De snelheid en energie-efficiëntie zijn ongeëvenaard. Hoewel praktische toepassingen nog op zich laten wachten, zijn de implicaties voor chips, AI, quantum computing en dataverwerking diepgaand. We staan aan het begin van een toekomst waarin licht de nieuwe standaard wordt voor logica.
Mohamed Sennary
Disclaimer Aan de door ons opgestelde informatie kan op geen enkele wijze rechten worden ontleend. Alle door ons verstrekte informatie en analyses zijn geheel vrijblijvend. Alle consequenties van het op welke wijze dan ook toepassen van de informatie blijven volledig voor uw eigen rekening.
Wij aanvaarden geen aansprakelijkheid voor de mogelijke gevolgen of schade die zouden kunnen voortvloeien uit het gebruik van de door ons gepubliceerde informatie. U bent zelf eindverantwoordelijk voor de beslissingen die u neemt met betrekking tot uw beleggingen.
