Рекордная производительность коммутатора – новый важный шаг на пути к созданию компьютера, который использует свет вместо электричества для обработки информации. Использование частиц света – фотонов – для передачи данных внутри компьютера дает несколько преимуществ по сравнению с электронной связью. Фотоны движутся быстрее электронов и не тратят энергию на нагрев компонентов компьютера. Управление этим отходящим теплом является серьезным препятствием на пути повышения производительности компьютера.
Световые сигналы десятилетиями использовались для передачи информации на большие расстояния с помощью оптических волокон, но волокна занимают слишком много места, чтобы их можно было использовать для передачи данных через компьютерный чип.
Новый переключатель сочетает в себе золотые и кремниевые оптические, электрические и механические компоненты нанометрового размера, все они плотно упакованы, чтобы направлять свет на миниатюрную гоночную трассу и из нее, изменять ее скорость и направление движения. (Один нанометр составляет одну миллиардную метра, или примерно одну стотысячную ширины человеческого волоса.Международная команда под руководством NIST сегодня описывает устройство онлайн в журнале Science.
Устройство имеет множество приложений, отмечает соавтор исследования Кристиан Хаффнер из NIST, ETH Zurich и Университета Мэриленда. В беспилотных автомобилях переключатель может быстро перенаправить одиночный световой луч, который должен постоянно сканировать все части проезжей части, чтобы измерить расстояние до других автомобилей и пешеходов.
Устройство также может упростить использование в нейронных сетях более мощных световых схем вместо электрических. Это системы искусственного интеллекта, моделирующие, как нейроны человеческого мозга принимают решения по таким сложным задачам, как распознавание образов и управление рисками.
Новая технология также 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 отношения чрезвычайно хрупкие, требуя, чтобы компьютер работал при сверхнизких температурах и малой мощности, чтобы пары частиц как можно меньше возмущались. Поскольку новый оптический переключатель требует мало энергии – в отличие от предыдущих оптических переключателей – он может стать неотъемлемой частью квантового компьютера.
Хаффнер и его коллеги, в число которых входят Владимир Аксюк и Анри Лезек из NIST, говорят, что их результаты могут стать неожиданностью для многих в научном сообществе, поскольку результаты противоречат давним убеждениям. Некоторые исследователи думали, что оптоэлектромеханические переключатели не будут практичными, потому что они будут громоздкими, работать слишком медленно и потребовать слишком высоких напряжений, чтобы компоненты компьютерного чипа могли выдерживать.
Коммутатор использует волновую природу света. Когда две идентичные световые волны встречаются, они могут накладываться друг на друга, так что гребень одной волны совпадает или усиливает гребень другой, создавая яркий узор, известный как конструктивная интерференция.
Две волны также могут быть точно не в ногу, так что впадина одной волны компенсирует гребень другой, в результате чего получается темный узор – деструктивная интерференция.
В установке команды световой луч ограничен перемещением по миниатюрной магистрали – каналу в форме трубки, известному как волновод. Эта линейная магистраль спроектирована так, что у нее есть съезд – часть света может выходить в полость в форме гоночной трассы, всего в нескольких нанометрах от нас, выгравированная на кремниевом диске. Если свет имеет только подходящую длину волны, он может много раз облететь гоночную трассу, прежде чем покинуть кремниевую полость.
У переключателя есть еще один важный компонент: тонкая золотая мембрана, подвешенная всего на несколько десятков нанометров над кремниевым диском. Часть света, проходящего по кремниевой беговой дорожке, просачивается наружу и попадает на мембрану, заставляя группы электронов на поверхности мембраны колебаться. Эти колебания, известные как плазмоны, представляют собой своего рода гибрид между световой волной и электронной волной: колеблющиеся электроны напоминают приходящую световую волну тем, что они колеблются с той же частотой, но имеют гораздо более короткую длину волны.
Более короткая длина волны позволяет исследователям манипулировать плазмонами на наноразмерных расстояниях, намного меньших, чем длина исходной световой волны, прежде чем преобразовывать колебания обратно в свет. Это, в свою очередь, позволяет оптическому переключателю оставаться чрезвычайно компактным.
Изменяя ширину зазора между кремниевым диском и золотой мембраной всего на несколько нанометров, исследователи могли задерживать или опережать фазу гибридной световой волны – момент времени, когда волна достигает гребня или впадины. Даже незначительные изменения ширины зазора, которые команда достигла за счет электростатического изгиба золотой мембраны, резко изменили фазу.
В зависимости от того, насколько команда продвинула или задержала фазу волны, когда она воссоединилась со светом, все еще движущимся по трубчатой магистрали, два луча вмешивались либо конструктивно, либо разрушительно (см. Анимацию). Если световые лучи совпадают, чтобы конструктивно мешать, свет продолжит двигаться в своем первоначальном направлении, двигаясь вниз по трубке. Но если световые лучи разрушительно мешают друг другу, нейтрализуя друг друга, этот путь блокируется.
Вместо этого свет должен двигаться в другом направлении, определяемом ориентацией других волноводов или маршрутов, расположенных близко к заблокированному пути. Таким образом, можно по желанию переключать свет на любой из сотен других компьютерных чипов.
Ученые когда-то думали, что плазмонная система будет значительно ослаблять световые сигналы, потому что фотоны будут проникать внутрь золотой мембраны, где электроны будут поглощать большую часть световой энергии.
Но теперь исследователи доказали, что это предположение неверно.
Компактность устройства и конструкция, обеспечивающая проникновение нескольких фотонов через мембрану, привели к потере всего 2.5% светового сигнала по сравнению с 60% у предыдущих переключателей. Таким образом, коммутатор, хотя и являющийся прототипом, становится доступным для коммерческих приложений.
Сейчас команда работает над тем, чтобы сделать устройство еще меньше, сократив расстояние между силиконовым диском и золотой мембраной. Это еще больше снизит потери сигнала, сделав технологию еще более привлекательной для промышленности.