CPU的时钟频率可以有多高？因为不确定原理，电子器件的频率存在硬极限

电子元件的频率可以有多高？当计算机芯片以越来越短的信号和时间间隔运作时，它们终究会一头撞上物理限制。能够在半导体材料中产生电流的量子机械过程需要一定的时间。这限制了信号产生和传输的速度。

Tu Wien(维也纳)，Tu Graz和马克思普朗克量子光学研究所现在已经找到了这一速度上限：即使以理论最佳的方式给予激光脉冲刺激，材料的频率也无法突破Petahertz(一百万千兆赫兹)。此结果现已发表于科学期刊《自然通信》上。

电流和光(即电磁场)总是相互的。这也是微电子的情况：在微芯片中，在电磁场的帮助下控制电力。例如，可以将电场施加到晶体管，晶体管允许电流流动或阻断。以这种方式，电磁场被转换为电信号。

为了测试电磁场转换的限制，这里直接使用激光脉冲——最快，最精确的电磁场——而不是晶体管。

“研究材料最初没有电流。”若·维也纳理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释道。“通过极端紫外线范围内的超短期激光脉冲击，激光脉冲将电子转移到更高的能级中，因此它们可以突然自由移动。那样，激光脉冲将材料短时间转化为电导体。一旦在材料中有自由移动的电荷载体，就可以在一定的方向上通过第二个稍长的激光脉冲移动。这产生了一种电流，然后可以用材料两侧的电极检测电流。”

“长期以来，这种过程被认为是即时的，”Christoph Lemell教授(Tu Wien)说。然而，今天，我们有必要的技术，详细研究这些超快过程。“至关重要的问题是：材料对激光反应有多快？信号生成需要多长时间的等待才能再次暴露于下一个信号？”该实验是在Garching和Graz进行的，理论上的工作和复杂的计算机模拟在Tu Wien完成。

实验导致经典的不确定性困境，因为它通常发生在量子物理中：为了提高速度，需要极短的UV激光脉冲，使得自由电量载流子被非常快速地产生。然而，使用极短脉冲意味着转移到电子的能量的值就是高不确定性的。 “我们可以精确计算到自由电荷载体的时间点，但代价就是无法确定它属于哪个能态。”Christoph Lemell说。 “固体具有不同的能带，并且在短激光脉冲中，许多不可避免地由自由电量载流子填充。”

取决于携带的能量，电子对电场的反应非常不同。如果它们的精确能量未知，则不再能够精确控制它们，并且产生的电流信号扭曲，尤其是在高激光强度下。

“事实证明，Petahertz是控制光电过程的上限。”JoachimBurgdörfer说。当然，这并不意味着可以制造出略低于PetaHertz的时钟频率的CPU。现实的技术上限很可能很低。

https://phys.org/news/2022-03-quantum-physics-limit-electronics.html