يمكن للمفتاح البصري إعادة توجيه الضوء بين الرقائق بسرعة فائقة

باحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) طوروا مفتاحًا ضوئيًا قادرًا على إعادة توجيه الضوء بين رقائق الكمبيوتر في غضون 20 من المليار من الثانية. الجهاز الجديد أسرع من أي جهاز مماثل ، ويمكن دمجه في رقائق السيليكون منخفضة التكلفة بسبب الفولتية المنخفضة. عندما تعيد توجيه الضوء ، تعاني الشريحة من فقدان إشارة منخفض للغاية. 

التطبيقات المحتملة

سيكون للشريحة الجديدة آثار كبيرة على الحوسبة ، وستساعد في تطوير جهاز كمبيوتر يعالج المعلومات باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء. هناك العديد من المزايا لاستخدام الفوتونات من أجل نقل البيانات بما في ذلك السفر بشكل أسرع وكفاءة الطاقة. باستخدام الكهرباء ، يتم تسخين مكونات الكمبيوتر مما يهدر الطاقة ، ويحد من أداء الكمبيوتر. 

يستخدم المفتاح المطور حديثًا مكونات بصرية وكهربائية وميكانيكية من الذهب النانومترية والسيليكون. هذه كلها معبأة بشكل كثيف ، وترسل الضوء داخل وخارج القناة. هذا يؤثر على سرعتها واتجاه السفر. 

تم وصف الجهاز من قبل الفريق الدولي بقيادة NIST في العلم. 

وفقًا للمؤلف المشارك كريستيان هافنر من NIST و ETH Zurich و University of Maryland ، فإن التبديل لديه الكثير من التطبيقات المحتملة. يمكن استخدامه في المركبات ذاتية القيادة لإعادة توجيه أشعة الضوء التي تمسح الطريق من أجل قياس المسافة إلى المركبات الأخرى والمشاة. يمكن أيضًا استخدام المفتاح داخل الشبكات العصبية ، باستخدام دارات أكثر قوة تعتمد على الضوء بدلاً من تلك القائمة على الكهرباء. 

تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية للمفتاح الجديد في أنه يستخدم القليل جدًا من الطاقة لإعادة توجيه إشارات الضوء ، والتي قد تكون مهمة للغاية في الحوسبة الكمومية. الكمبيوتر الكمومي له علاقة هشة بين أزواج من الجسيمات دون الذرية ، والتي تعالج البيانات. بسبب طبيعتها الهشة ، يحتاج الكمبيوتر إلى العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية وطاقة منخفضة حتى لا يتم إزعاج أزواج الجسيمات. نظرًا لأن المفتاح المطور حديثًا يتطلب طاقة أقل بكثير ، فقد يكون جانبًا مهمًا من جوانب الحوسبة الكمومية. 

تحدي المعتقدات الراسخة

وفقًا لـ Haffner ، جنبًا إلى جنب مع زملائه Vladimir Akysuk و Henri Lezec من NIST ، فإن النتائج الجديدة تتناقض مع العديد من المعتقدات الراسخة في المجتمع العلمي. يعتقد العديد من الباحثين أن هذه الأنواع من المفاتيح لن تكون عملية نظرًا لحجمها الضخم ، وأنها ستعمل بجهد كهربائي مرتفع يتسبب في بطء الأداء. 

يتضمن الإعداد قناة على شكل أنبوب تسمى الدليل الموجي ، وينتقل شعاع ضوئي داخلها. يوجد منحدر حيث يخرج بعض الضوء في تجويف يبعد بضعة نانومترات. 

يستخدم المحول أيضًا غشاءًا ذهبيًا رقيقًا معلقًا على بعد بضع عشرات من النانومترات فوق قرص السيليكون ، الذي يحتوي على تجويف محفور فيه. عندما ينتقل الضوء حوله ، يتسرب بعضه ويصطدم بالغشاء. يحث هذا النشاط مجموعات الإلكترونات الموجودة على سطح الغشاء على التأرجح. تسمى التذبذبات البلازمونات ، وهي مزيج بين موجة الضوء وموجة الإلكترون. للإلكترونات المتذبذبة طول موجي أقصر يسمح للباحثين بمعالجة البلازمونات على مسافات نانوية. كل هذا يساعد على بقاء المفتاح البصري مضغوطًا للغاية. 

إذا قام الباحثون بتغيير الفجوة بين قرص السيليكون والعضو الذهبي ببضعة نانومتر ، فإن مرحلة موجة الضوء الهجينة تتأخر أو تتقدم. عندما تتحد مرحلة الموجة مع الضوء الذي ينتقل في قناة على شكل أنبوب ، يتسبب الشعاعتان في إعاقة الضوء أو استمراره في اتجاهه الأصلي. هذا يسمح بنقل الضوء إلى أي رقائق كمبيوتر أخرى حسب الرغبة. 

تتضمن الخطوات التالية للفريق تقصير المسافة بين قرص السيليكون والغشاء الذهبي لجعل الجهاز أصغر. سيساعد هذا في تقليل فقد الإشارة بشكل أكبر ، مما يجعل التبديل أكثر فائدة للصناعات المختلفة.