Ученые разработали самый быстрый оптический переключатель. Он способен передавать свет от одного компьютерного чипа к другому со скоростью в 20 миллиардных долей секунды.
Компактный переключатель является первым переключателем, который работает при достаточно низких напряжениях. Поэтому он может быть интегрирован в недорогие кремниевые чипы и перенаправлять свет с очень низким уровнем потери сигнала.
Рекордная производительность коммутатора является новым важным шагом на пути к созданию компьютера, который для обработки информации будет использовать свет вместо электричества.
Использование частиц света - фотонов для передачи данных внутри компьютера дает несколько преимуществ по сравнению с электронными средствами связи.
Фотоны перемещаются быстрее, чем электроны, и не тратят энергию, нагревая компьютерные компоненты. Управление этим отработанным теплом является основным препятствием для повышения производительности компьютера.
Световые сигналы использовались в течение десятилетий для передачи информации на большие расстояния с использованием оптических волокон. Но волокна занимают слишком много места, чтобы использовать их для переноса данных через компьютерный чип.
Новый коммутатор объединяет оптические, электрические и механические компоненты нанометрического золота и кремния. Все они плотно упакованы, чтобы направлять свет в миниатюрную дорожку и обратно, а также изменять его скорость и менять направление движения.
Устройство может найти множество применений. В беспилотных автомобилях переключатель может быстро перенаправлять луч света, который должен постоянно сканировать все участки дороги для измерения расстояния до других автомобилей и пешеходов.
Устройство может также упростить использование более мощных световых схем вместо электрических в нейронных сетях. Это системы искусственного интеллекта, которые моделируют, как нейроны в мозгу человека принимают решения по таким сложным задачам, как распознавание образов и управление рисками.
Кроме того, новая технология использует очень мало энергии для перенаправления световых сигналов. Эта функция может помочь реализовать мечту о квантовых вычислениях.
Квантовый компьютер обрабатывает данные, хранящиеся в тонких взаимосвязях между специально подготовленными парами субатомных частиц. Однако эти взаимосвязи крайне хрупки.
Требуется, чтобы компьютер работал при очень низких температурах и малой мощности. При соблюдении этих условий пары частиц будут разрушаться гораздо реже.
Поскольку новый оптический переключатель потребляет мало энергии, в отличие от предыдущих оптических переключателей, он может стать неотъемлемой частью квантового компьютера.
Ученые говорят, что результаты их работы могут стать неожиданностью для многих в научном сообществе, поскольку противоречат давно устоявшимся представлениям.
Некоторые исследователи считают, что эти переключатели не найдут практического применения, потому что они громоздкие, работают слишком медленно и требуют слишком высокого напряжения, чтобы компоненты компьютерного чипа могли выдерживать его.
Коммутатор использует волновую природу света. Когда две идентичные световые волны встречаются, они могут накладываться так, что гребень одной волны сравнивается и усиливает гребень другой, создавая яркий узор, известный как конструктивное вмешательство.
Две волны также могут двигаться не синхронно. Тогда “падение” одной волны нивелирует “подъем” другой, что приводит к темному рисунку - разрушительному вмешательству.
В составе группы световой луч ограничивается прохождением по миниатюрному пути - трубчатому каналу, именуемому “волновод”. Этот канал спроектирован таким образом, что часть света может выходить в полость кремниевого диска в форме беговой дорожки, расположенную всего в нескольких нанометрах от волновода.
Переключатель имеет еще один важный компонент: тонкая золотая мембрана, подвешенная всего в нескольких десятках нанометров над кремниевым диском.
Часть света, движущегося по кремниевой дорожке, просачивается наружу и ударяет по мембране, вызывая колебания групп электронов на поверхности мембраны.
Эти колебания, известные как плазмоны, представляют собой своего рода гибрид между световой и электронной волной. Осциллирующие электроны напоминают входящую световую волну в том, что они вибрируют на той же частоте, но имеют гораздо меньшую длину волны.
Более короткая длина волны позволяет исследователям манипулировать плазмонами на наноразмерных расстояниях - намного короче, чем длина исходной световой волны. Это, в свою очередь, позволяет оптическому переключателю оставаться чрезвычайно компактным.
Изменяя ширину зазора между кремниевым диском и золотой мембраной всего на несколько нанометров, исследователи могут задерживать или ускорять фазу гибридной световой волны - момент времени, когда волна достигает “подъема” или “падения”. Даже незначительные изменения в ширине зазора могут резко изменить фазу.
В зависимости от того, насколько сильно ускоряется или задерживается фаза волны, два луча смешиваются либо конструктивно, либо разрушительно. Если световые лучи совпадают друг с другом и создается "конструктивный союз", то свет будет продолжать излучаться в исходном направлении.
Но если лучи света разрушительно мешают друг другу, этот путь блокируется. Тогда свет будет двигаться в соответствии с направлением других “волноводов” или маршрутов, расположенных вблизи заблокированного пути. Таким образом, свет может быть переключен по желанию на любой из сотен других компьютерных чипов.
Ученые когда-то думали, что плазменная система значительно ослабит световые сигналы, потому что фотоны проникнут внутрь золотой мембраны, где электроны поглотят большую часть световой энергии.
Но теперь исследователи доказали, что это предположение неверно. Компактность устройства и конструкция, обеспечивающая проникновение в мембрану небольшого количества фотонов, привели к потере всего 2,5% светового сигнала по сравнению с 60% у предыдущих переключателей. Это делает коммутатор прототипом, доступным для коммерческого использования.
В настоящее время команда работает над тем, чтобы сделать устройство еще меньше, сократив расстояние между кремниевым диском и золотой мембраной. Это еще больше сократит потери сигнала, сделав технологию еще более привлекательной для промышленности.
***
