如果超快光脉冲能以比当今最好的处理器快一百万倍的速度运行计算机，那会怎样？包括亚利桑那大学研究人员在内的科学家团队正在努力实现这一目标。
在一项国际合作中，理学院物理系和詹姆斯-C-怀恩特光学科学学院的研究人员展示了一种利用持续时间不到万亿分之一秒的光脉冲操纵石墨烯中电子的方法。通过利用一种被称为 “隧道 ”的量子效应，他们记录下了电子几乎在瞬间绕过物理障碍的过程，这一壮举重新定义了计算机处理能力的潜在极限。
发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究强调了这种技术如何能使处理速度达到皮赫兹范围--比现代计算机芯片快1000倍以上。物理学和光学科学副教授穆罕默德-哈桑（Mohammed Hassan）说，以这种速度发送数据将彻底改变我们所知的计算方式。哈桑长期以来一直在研究基于光的计算机技术，并曾领导开发了世界上最快的电子显微镜。
哈桑说：“我们经历了人工智能软件等技术发展的巨大飞跃，但硬件发展的速度却没有那么快。但是，依靠量子计算机的发现，我们可以开发出与当前信息技术软件革命相匹配的硬件。超快计算机将极大的促进太空研究、化学、医疗保健等领域的探索。”
哈桑与阿拉斯加大学物理学助理教授尼古拉-戈卢贝夫(Nikolay Golubev)、光学和物理学研究生穆罕默德-森纳里 (Mohamed Sennary)、物理学博士后贾利勒-沙阿(Jalil Shah) 和光学研究生袁明瑞 (Mingrui Yuan)一起工作。加州理工学院喷气推进实验室和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的同事也加入了他们的行列。研究团队最初研究的是石墨烯改性样品的导电性，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料。当激光照射石墨烯时，激光的能量会激发材料中的电子，使它们移动并形成电流。
a在不同泵浦场强度下获取的 I-V 曲线（三次测量的平均值）。b 、 c分别根据 ( a ) 中测得的 I-V 曲线获得的电阻 (R) 和电导率随激光场强度的变化。( b )中的红线是视觉引导，( c ) 中的蓝线表示根据我们的仿真模型计算出的电导率。
有时，这些电流会相互抵消。哈桑说，出现这种情况是因为激光的能量波上下移动，在石墨烯的两侧产生了相等而相反的电流。由于石墨烯的对称原子结构，这些电流会相互反射并相互抵消，从而不会产生可检测到的电流。
石墨烯光电晶体管中的光诱导量子电流隧穿。a 石墨烯-硅 (Si)-石墨烯光电晶体管的光学显微镜（放大图）图像及其能带结构图，黑色虚线表示费米能级。b 激光开启（蓝线）和激光关闭（红线）时测得的电流-电压 (I-V) 曲线。插图显示了激光束开启和关闭光电流信号的情况。c 石墨烯-硅-石墨烯晶体管的隧穿特性 I-V 曲线，红线为参考线。误差线表示三次扫描计算出的标准差。
但是，如果单个电子能够滑过石墨烯，并且其旅程能够被实时捕捉和跟踪，那又会怎样呢？这种近乎瞬间的“隧穿 ”是研究小组修改不同石墨烯样品的意外结果。“这就是我最喜欢的科学： 真正的发现来自你意想不到的事情，”哈桑说。“进入实验室，你总会预料到会发生什么，但科学的真正魅力在于发生的小事，它们会引导你进行更多的研究。一旦我们意识到我们已经实现了这种隧道效应，我们就必须找出更多的东西。“
研究人员利用一种经过改良、引入了特殊硅层的市售石墨烯光电晶体管，使用一种能以638阿秒的速度开关的激光，制造出了被哈桑称为 “世界上最快的太赫兹量子晶体管”。晶体管是一种充当电子开关或放大器的设备，可以控制两点之间的电流流动，是现代电子技术发展的基础。哈桑说：“作为参考，一个阿秒是一秒的万亿分之一。这意味着，通过实现千万亿次速度的晶体管，这一成就代表着超高速计算机技术发展的一大飞跃。”
虽然一些科学进步是在严格的条件下取得的，包括温度和压力，但这种新型晶体管却能在环境条件下工作--为商业化和应用于日常电子产品开辟了道路。哈桑正在与亚利桑那州技术启动办公室（Tech Launch Arizona）合作，该办公室与研究人员合作，将亚利桑那大学的研究发明商业化，以便为创新申请专利并推向市场。虽然最初的发明使用的是专门的激光器，但研究人员正在进一步开发与商用设备兼容的晶体管。
哈桑说：“我希望我们能与业界伙伴合作，在微芯片上实现这种千万赫兹速度的晶体管。亚利桑那大学已经因世界上最快的电子显微镜而闻名，我们也希望因第一个千万赫兹速度晶体管而闻名。”
