Теперь исследователи из Пенсильванского университета, где топологические изоляторы были впервые обнаружены в 2005 году, показали способ выполнить это обещание в области, где физическое пространство имеет еще большее значение: фотоника. Они впервые показали, как топологический изолятор может использовать всю площадь его основания.
Используя фотоны вместо электронов, фотонные чипы обещают еще более высокую скорость передачи данных и насыщенные информацией приложения, но компоненты, необходимые для их создания, остаются значительно крупнее, чем их электронные аналоги, из-за отсутствия эффективной архитектуры маршрутизации данных.
Тем не менее, фотонный топологический изолятор с краями, которые можно переопределять на лету, помог бы решить проблему отпечатков пальцев.
Возможность прокладывать эти «дороги» друг вокруг друга по мере необходимости означает, что весь внутренний массив можно использовать для эффективного построения каналов передачи данных.
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенна впервые создали и протестировали такое устройство, опубликовав свои выводы в журнале Science.
«Это может иметь большое влияние на приложения с большой информационной емкостью, такие как 5G или даже 6G, сети сотовой связи», – говорит Лян Фэн, доцент кафедры материаловедения и инженерии Penn Engineering, а также электротехники и системотехники.
«Мы думаем, что это может быть первое практическое применение топологических изоляторов», – говорит он.
Фэн руководил исследованием вместе с аспирантом Хань Чжао, членом его лаборатории. Сотрудники лаборатории Синду Цяо, Тяньвэй Ву и Бикашкали Мидья, а также Стефано Лонги, профессор Миланского политехнического университета в Италии, также внесли свой вклад в исследование.
Центры обработки данных, составляющие основу коммуникационных сетей, направляют звонки, текстовые сообщения, вложения электронной почты и потоковую передачу фильмов на миллионы сотовых устройств и между ними. Но по мере увеличения объема данных, проходящих через эти центры обработки данных, возрастает и потребность в маршрутизации данных с высокой пропускной способностью, способной удовлетворить спрос.
Переход с электронов на фотоны ускорит этот процесс для предстоящего информационного взрыва, но инженеры должны сначала разработать целую новую библиотеку устройств для передачи этих фотонов от входа к выходу, не смешивая их и не теряя в процессе.
Прогресс в скорости обработки данных в электронике был основан на уменьшении и уменьшении основных компонентов, но исследователям фотоники пришлось использовать другой подход.
Фэн, Чжао и их коллеги намеревались максимизировать сложность фотонных волноводов – предписанные пути, по которым отдельные фотоны проходят от входа к выходу – на данном кристалле.
Прототип фотонного чипа составляет примерно 250 микрон в квадрате и имеет мозаичную сетку из овальных колец. «Накачивая» чип внешним лазером, нацеленным на изменение фотонных свойств отдельных колец, они могут изменить, какие из этих колец образуют границы волновода.
В результате получается реконфигурируемый топологический изолятор. Изменяя схемы накачки, фотоны, направляющиеся в разных направлениях, могут быть направлены друг вокруг друга, позволяя фотонам из нескольких пакетов данных проходить через чип одновременно, как сложная транспортная развязка.
«Мы можем определить границы так, чтобы фотоны могли проходить из любого входного порта в любой выходной порт или даже на несколько выходов одновременно», – говорит Фенг. "Это означает, что соотношение количества портов к занимаемой площади как минимум на два порядка больше, чем у современных фотонных маршрутизаторов и коммутаторов."
Повышенная эффективность и скорость – не единственное преимущество подхода исследователей.
«Наша система также устойчива к неожиданным дефектам», – говорит Чжао. "Если одно из колец повреждено, например, пылинкой, это повреждение просто создает новый набор граней, по которым мы можем отправлять фотоны."
Поскольку для переопределения формы волноводов системе требуется внешний лазерный источник, система исследователя еще недостаточно мала, чтобы быть полезной для центров обработки данных или других коммерческих приложений.
Следующими шагами для команды будет создание схемы быстрой реконфигурации интегрированным способом.