Представьте себе домашний компьютер, работающий в 1 миллион раз быстрее, чем самое дорогое оборудование на рынке. Теперь представьте, что этот уровень вычислительной мощности является отраслевым стандартом. Исследователи из Университета Аризоны надеются проложить путь к этой реальности, используя оптические вычисления на основе света, что является заметным улучшением по сравнению с полупроводниковыми транзисторами, которые в настоящее время управляют миром.
«Полупроводниковые транзисторы используются во всей электронике, которую мы используем сегодня», — сказал Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптики. «Они являются частью любой отрасли — от детских игрушек до ракет — и являются основными строительными блоками электроники».
Hassan lad, международная группа исследователей, опубликовавшая исследовательскую статью «Сверхбыстрое оптическое переключение и кодирование данных на синтезированных световых полях» в журнале Science Advances в феврале. Постдокторский научный сотрудник Университета штата Аризона по физике Дандан Хуи и аспирант-физик Хусейн Алкаттан также внесли свой вклад в статью, помимо исследователей из Университета штата Огайо и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана.
Полупроводники в электронике полагаются на электрические сигналы, передаваемые через микроволны, чтобы переключать — либо разрешать, либо предотвращать — поток электричества и данных, представляемых как «включено» или «выключено». Хассан сказал, что будущее электроники вместо этого будет основано на использовании лазерного света для управления электрическими сигналами, что откроет двери для создания «оптических транзисторов» и разработки сверхбыстрой оптической электроники.
С момента изобретения полупроводниковых транзисторов в 1940-х годах технологический прогресс был сосредоточен на увеличении скорости генерации электрических сигналов, измеряемой в герцах. По словам Хассана, самые быстрые полупроводниковые транзисторы в мире могут работать на скорости более 800 гигагерц. Передача данных на этой частоте измеряется в масштабе пикосекунд или одной триллионной доли секунды.
Мощность компьютерной обработки неуклонно росла с момента появления полупроводникового транзистора, хотя Хассан сказал, что одна из основных проблем при разработке более быстрых технологий заключается в том, что тепло, выделяемое при продолжении добавления транзисторов в микрочип, в конечном итоге потребует для охлаждения больше энергии, чем может пройти через него. чип.
В своей статье Хассан и его сотрудники обсуждают использование полностью оптического включения и выключения светового сигнала для достижения скорости передачи данных, превышающей петагерц, измеряемой в аттосекундной шкале времени. Аттосекунда составляет одну квинтиллионную долю секунды, что означает передачу данных в 1 миллион раз быстрее, чем у самых быстрых полупроводниковых транзисторов.
Хотя уже было показано, что оптические переключатели обеспечивают более высокую скорость обработки информации, чем технология на основе полупроводниковых транзисторов, Хассан и его соавторы смогли зарегистрировать сигналы включения и выключения от источника света, происходящие в масштабе миллиардных долей секунды. Это было достигнуто за счет использования характеристик плавленого кварца, стекла, часто используемого в оптике. Плавленый кварц может мгновенно изменить свою отражательную способность, и с помощью сверхбыстрых лазеров Хассан и его команда смогли зарегистрировать изменения светового сигнала в аттосекундной шкале времени. Работа также продемонстрировала возможность отправки данных в виде «единицы» и «ноля», представляющих включение и выключение света с ранее невозможными скоростями.
«Это новое достижение также позволит кодировать данные с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов, что увеличит скорость передачи данных и может быть использовано для дальней связи с Земли в дальний космос», — сказал Хассан. «Это обещает увеличить предельную скорость обработки данных и кодирования информации и открыть новую область информационных технологий».