Ученые создали энергоэффективный оптический переключатель, который может работать со скоростью 1 триллион операций в секунду. Его можно использовать вместо транзисторов в компьютерах нового поколения.
Большинству применяемых сегодня транзисторов для переключения требуется множество электронов, соответственно энергии. Существуют и модели, работающие от одиночных электронов, но они не могут похвастаться высокой производительностью. При этом все транзисторы требуют громоздких систем охлаждения, также потребляющих энергию.
Теперь международная группа во главе с исследователями из Сколтеха и IBM разработала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, для работы которого достаточно всего лишь одного фотона. Помимо передачи сигналов между различными устройствами, он также может выполнять функцию усилителя и увеличивать интенсивность входящего светового луча до 23 тыс. раз.
В устройстве используются два лазера, которые переключаются между состояниями «0» или «1». Система управляется другим очень слабым лазерным лучом с помощью всего нескольких фотонов. Операции с мельчайшей физической единицей света требуют минимального объема энергии, что положительно отражается на энергопотреблении устройства.
Переключение происходит внутри микрополости, построенной таким образом, чтобы удерживать входящий свет внутри как можно дольше, способствуя его взаимодействию с полупроводниковым материалом, из которого она изготовлена. При этом образуются короткоживущие квазичастицы экситон-поляритоны. Когда луч одного из двух основных лазеров (более яркого) попадает на них, то создает тысячи копий таких же квазичастиц, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна, который кодирует базовые логические состояния «0» и «1».
Для переключения между ними используется небольшой лазерный импульс, способствующий образования конденсата, что повышает эффективность преобразования энергии при накачке, увеличению количества копий квазичастиц и переходу к «1». Такая система может совершать до 1 триллиона преобразований в секунду, что 100–1000 раз выше показателей передовых коммерческих транзисторов.
Параллельно ученые используют согласованные колебания молекул полупроводникового полимера, контрольного лазера и схему детектирования, а также оптимизацию длины волны лазеров для предотвращения поглощения избыточной энергии в микрорезонаторе и снижения энергопотребления устройства.
По словам команды исследователей, комбинация таких переключателей с усилителями, вентилями и волноводами может в итоге привести к появлению оптического компьютера, в основе работы которого будет лежать свет, а не электрический ток. Они даже могут быть мобильными, поскольку в прошлом году физики успешно перенесли свет, хранящийся в устройстве квантовой памяти.
Для развития канала нам важна ваша поддержка, подписывайтесь на канал и ставьте лайки.