Шесть лет назад международный коллектив исследователей, в который входили специалисты из «Сколтеха», представил инновационный полностью оптический универсальный логический вентиль — устройство, способное заменить традиционные электронные транзисторы. Такие системы обладают колоссальным потенциалом: они работают практически без энергопотерь и могут быть в десятки или даже сотни раз быстрее кремниевых аналогов. В новой работе учёные решили протестировать своё изобретение на грани возможностей и выяснить, какие факторы ограничивают его производительность.
Почему оптика может заменить электронику?
Современные компьютеры сталкиваются с проблемой физических ограничений полупроводниковых технологий. При повышении тактовой частоты процессоры начинают сильно нагреваться, что делает дальнейшую миниатюризацию и ускорение сложным. Устройства на основе света — оптические логические элементы — могли бы решить эту задачу. Они работают не на электрическом токе, а на фотонах, которые не только не греют систему, но и передвигаются со скоростью света.
Учёные из «Сколтеха» вместе с коллегами из Германии продолжают совершенствовать свою разработку — оптический вентиль, реализующий операцию NOR (логическое "ИЛИ-НЕ"). Основой устройства стали поляритонные конденсаты — особые квазичастицы, представляющие собой смесь экситонов (электронно-дырочных пар) и фотонов. Благодаря своей природе, такие элементы работают при комнатной температуре и не требуют внешнего электрического тока.
Интересный факт: Поляритоны — это гибрид света и материи. Они позволяют создавать устройства, сочетающие сверхбыструю реакцию фотонов и взаимодействие частиц вещества.
Исследование границ скорости
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review B, посвящено изучению внутренних ограничений работы такого логического элемента. Учёные сосредоточились на явлении бимолекулярного гашения — процессе, при котором взаимодействие между поляритонами вызывает их потерю. Это явление становится особенно заметным при высоких частотах переключений и может снижать чёткость логических сигналов.
Чтобы система правильно различала ноль и единицу, необходимо, чтобы оставшиеся после предыдущего состояния поляритоны были достаточны для формирования нового сигнала. Однако если мы пытаемся работать слишком быстро, эти остаточные эффекты начинают мешать, усиливая следующий импульс и вызывая паразитные шумы, — объясняет один из авторов исследования.
Рекордная частота и её цена
Эксперименты показали, что такой логический вентиль способен работать на частоте до 240 ГГц, что является одним из самых высоких результатов среди известных оптических логических элементов. Для сравнения, современные процессоры работают в диапазоне 3–6 ГГц. Таким образом, потенциальное увеличение скорости составляет в среднем в 50 раз, а в идеальных условиях — до 100 раз.
Однако достижение этой скорости связано с рядом технических трудностей. Например, учёные установили, что длительность управляющих лазерных импульсов должна быть меньше времени естественных потерь в системе. Кроме того, важно учитывать явление делокализации — когда поляритоны рассеиваются по пространству, вызывая дополнительные потери энергии.
Интересный факт: Делокализация поляритонов напоминает волновое поведение частиц в квантовых системах. Это делает их поведение сложным для контроля, но одновременно открывает возможности для создания новых типов вычислительных архитектур.
Шаг к оптическому компьютеру
Полученные данные подтверждают теоретические модели и позволяют унифицировать результаты различных экспериментов. Это важный этап для развития всей области оптических вычислений. Хотя пока такие устройства остаются в стадии научных исследований, их потенциал огромен. Возможно, именно оптическая логика станет основой для следующего поколения компьютеров, способных выполнять вычисления в сотни раз быстрее современных.
Как отметил первый автор работы, аспирант программы «Физика» в «Сколтехе» Михаил Миско, дальнейшая задача — создание масштабируемых оптических схем, где будут задействованы десятки и сотни таких вентилей. Только так можно будет превратить лабораторные образцы в реальные технологии будущего.
Нужно оборудование?
Звоните: 8 (800) 777-23-97
Точных Вам измерений!