Результатом работы международной исследовательской группы, возглавляемой специалистами Института науки и технологий Сколтех в Москве и IBM, стал энергосберегающий сверхбыстрый оптический коммутатор.
Устройство не требует охлаждения и при этом более чем в 100 раз быстрее самых быстрых современных транзисторов.
По словам ведущего автора, Антона Заседателева, это устройство настолько энергоэффективно, потому, что для его переключения требуется всего несколько фотонов.
«В лаборатории нам удалось переключить его с помощью одиночного фотона. И при комнатной температуре. Однако пройдет много времени, прежде чем такая технология сможет быть использована в полностью оптическом процессоре», - добавляет профессор Павлос Лагудакис.
Однофотонное переключение означает, что система чрезвычайно энергоэффективна и имеет мало возможностей для дальнейшего усовершенствования. Конечно, нужно помнить, что в настоящее время это работает только в специализированной лаборатории. Однако именно так начинается история многих технологий, которые в конечном итоге находят свое применение в повседневной жизни.
Большинству современных электрических транзисторов требуется в десятки раз больше энергии для переключения, а те, которые требуют одного электрона, работают намного медленнее, чем продемонстрированный оптический переключатель.
Однако скорость и энергоэффективность - не единственные преимущества новой технологии. Не менее важно и то, что переключатель работает при комнатной температуре и не требует охлаждения. Между тем, системы охлаждения, необходимые для современных компьютеров, не только влияют на стоимость самого оборудования, но и значительно увеличивают потребление энергии, необходимой для их питания.
Устройство состоит из двух лазеров. Для переключения состояния второго более яркого из лазеров используется очень слабый управляющий лазерный луч. Для переключения достаточно нескольких фотонов, отсюда и высокая эффективность в целом. Переключение происходит внутри микрополости. Это органический полупроводящий полимер толщиной 35 нм, заключенный между двумя неорганическими слоями с высоким коэффициентом отражения. Микрополость сконструирована таким образом, чтобы улавливать падающий свет как можно дольше, что приводит к его взаимодействию с материалом полости.
Взаимодействие света с веществом - основа работы нового устройства. Когда фотоны соединяются с парами дырка-электрон, которые составляют квазичастицу, называемую экситоном, появляются квазичастицы экситон-поляритон. Когда более сильный из лазеров освещает переключатель, тысячи идентичных короткоживущих квазичастиц образуют конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором состояние устройства кодируется «0» или «1».
В резонаторе с более мощным лазером создаются квазичастицы с энергией, превышающей базовую. Переключатель находится в состоянии 0. Для переключения необходим более слабый лазер, с помощью которого создается группа квазичастиц с фундаментальной энергией. Их появление вызывает лавинообразный процесс переключения оставшихся квазичастиц в основное состояние. Таким образом мы получаем состояние «1». Благодаря этому переключатель работает более чем в 100 раз быстрее, чем современные транзисторы.
Ученые использовали несколько уловок, чтобы максимально снизить энергопотребление при одновременном максимальном увеличении производительности устройства. Вибрация молекул полупроводникового полимера помогает в эффективном переключении. Необходимо было точно настроить рабочую частоту лазеров, состояние конденсата и энергию колебаний молекул полимера.
Предстоит еще много работы. Необходимо снизить общие потребности устройства в энергии. Сегодня преобладает лазер накачки, который удерживает переключатель в режиме ожидания.
Разработка подобных компонентов еще больше приближает нас к оптическим компьютерам, которые будут манипулировать фотонами, а не электронами, что приведет к значительно более высокой производительности и более низкому энергопотреблению.