De nouvelles portes logiques pourraient rendre les ordinateurs un million de fois plus rapides

Basées sur des lasers, elles battent tout record de vitesse.

lasers portes logiques un million fois plus rapides
Des impulsions laser synchronisées (rouge et bleu) génèrent une rafale de porteurs de charge réels et virtuels dans le graphène qui sont absorbés par l'or métallique pour produire un courant net. | Michael Osadciw/Université de Rochester
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En utilisant des lasers dans des circuits électroniques, des scientifiques sont parvenus à créer des portes logiques d’un genre nouveau, qui seraient un million de fois plus rapides que celles que l’on trouve actuellement dans nos ordinateurs.

« Une quête de longue date pour la science et la technologie a été de développer l’électronique et le traitement de l’information qui fonctionnent près des échelles de temps les plus rapides autorisées par les lois de la nature », peut-on lire dans un communiqué de l’Université de Rochester au sujet de cette innovation.

Avec ces portes logiques qui utilisent des lasers, les chercheurs se sont approchés plus que jamais de cet objectif. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature. Pour mieux comprendre leur découverte, il faut s’intéresser à ce qu’est une porte logique en premier lieu. Ce qu’on appelle « portes logiques », ce sont les opérations de base que l’on peut réaliser sur un bit, c’est-à-dire l’unité de base d’un ordinateur (symbolisé par 0 ou 1). Elles permettent, à partir d’informations en entrée (des bits), d’obtenir un résultat donné (0 ou 1).

Différents types de portes logiques permettent, en définitive, de faire de la programmation et de donner les instructions à l’ordinateur. Par exemple, le type de porte logique « yes » (oui) donne en résultat le même bit qu’à l’entrée, contrairement à la porte logique « not » (non), qui fait l’inverse. D’un point de vue matériel, une porte logique prend la forme d’un transistor.

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Un transistor est un dispositif électronique qui permet de redresser, moduler ou amplifier les courants électriques. Il est présent dans la plupart des circuits électroniques. Il comporte 4 éléments cruciaux : le canal (dans lequel circule l’électricité), la source et le drain (qui sont les deux « bornes »), et la grille (qui sert « d’interrupteur » dans la circulation entre la source et le drain, en fonction de la tension qui lui est appliquée). Autrement dit, il peut être vu comme un interrupteur contrôlé électroniquement, sans partie mécanique. Il permet de matérialiser concrètement tous ces « 0 » et « 1 », grâce à la tension électrique.

Des lasers comme excitants pour les électrons

Le nouveau type de porte logique mis en avant par les scientifiques repose sur l’énergie de lasers. Il s’agit d’utiliser la lumière laser pour guider le mouvement des électrons dans la matière, puis d’utiliser ce contrôle pour développer des composants électroniques : cette technologie est connue sous le nom « d’électronique à ondes lumineuses », mais elle avait jusqu’ici peu d’usages concrets.

Il faut noter que les lasers permettent déjà actuellement de générer des rafales d’énergie à des fréquences de l’échelle de la femtoseconde, c’est-à-dire des impulsions espacées d’un millionième de milliardième de seconde. Ce sont des impulsions laser qui permettent de générer ces impulsions de courant. Cela se fait par exemple en éclairant de minuscules fils à base de graphène reliant deux dispositifs en or. L’impulsion laser « excite » les électrons du graphène et, surtout, les envoie dans une direction particulière, ce qui permet de générer un courant électrique net. Les impulsions laser permettent de produire de l’électricité beaucoup plus rapidement que n’importe quelle méthode traditionnelle. En outre, la direction et l’amplitude du courant peuvent être contrôlées simplement en faisant varier la forme de l’impulsion laser (c’est-à-dire en changeant sa phase).

À l’intérieur de ces jonctions or-graphène-or, il est possible, expliquent les scientifiques, de générer ce qu’ils appellent deux « saveurs » concernant les particules qui portent les charges de ces impulsions électriques : ils les nomment « réelles » et « virtuelles ». Pour l’expliquer simplement, les porteurs de charge « réels » sont les électrons excités par le laser qui restent en mouvement directionnel même après l’impulsion. À l’inverse, les porteurs de charge dits « virtuels » sont des électrons qui ne sont mis en mouvement que lorsque l’impulsion laser est activée : ils ont une existence éphémère.

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Ce que l’équipe de scientifiques a découvert, c’est qu’en modifiant la forme de l’impulsion laser, il est possible de générer des courants dans lesquels seuls les porteurs de charge d’un seul type jouent un rôle. Il devient donc possible de contrôler indépendamment ces deux types de courants.

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En partant de là, les chercheurs comptent créer une porte logique basée sur ce principe. L’idée est d’attribuer la valeur « 0 » à l’un des deux types de porteurs de charge, et la valeur « 1 » à l’autre. Dès lors, les calculs peuvent s’effectuer de la façon habituelle, et on obtient une porte logique extrêmement rapide : un million de fois plus rapide que les portes existantes, affirment les scientifiques.

« C’est un excellent exemple de la façon dont la science fondamentale peut conduire à de nouvelles technologies », a déclaré Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à Rochester qui, en collaboration avec le doctorant Antonio José Garzón-Ramírez, a réalisé les études théoriques qui ont conduit à cette découverte.

Ce nouveau type de composant électronique ne devrait pas arriver tout de suite dans nos ordinateurs, tempère toutefois l’un des scientifiques du projet : « Il faudra probablement beaucoup de temps pour que cette technique puisse être utilisée dans une puce informatique, mais au moins nous savons maintenant que l’électronique à ondes lumineuses est possible », déclare ainsi Tobias Boolakee, qui a dirigé les efforts expérimentaux en tant que doctorant à la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

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Source : Nature

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