مفتاح بصري يمكنه إعادة توجيه الضوء بين الشريحة بسرعة فائقة

قام باحثون في معهد المعايير والتقنيات الوطني (NIST) بتطوير مفتاح بصري يمكنه إعادة توجيه الضوء بين شريحة الحاسوب في غضون 20 مليارث من الثانية. الجهاز الجديد أسرع من أي جهاز مشابه ، ويمكن دمجه في شريحة السيليكون منخفضة التكلفة بسبب جهده المنخفض. عندما يغير اتجاه الضوء ، تعاني الشريحة من خسارة إشارة منخفضة للغاية.

التطبيقات المحتملة

سيؤدي الشريحة الجديد إلى تغييرات كبيرة في الحوسبة ، وسيساعد في تطوير حاسوب يعمل باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء. هناك عدة مزايا لاستخدام الفوتونات لنقل البيانات ، بما في ذلك السرعة والكفاءة في استهلاك الطاقة. عند استخدام الكهرباء ، يتم تسخين مكونات الحاسوب ، مما ي浪ع الطاقة ويحد من أداء الحاسوب.

يستخدم المفتاح الجديد مكونات بصرية وكهربائية وميكانيكية من الذهب والسيليكون على نطاق النانومتر. جميعها محكمة التركيب ، وتوجه الضوء إلى قناة و خارجها. هذا يؤثر على سرعته و اتجاه حركته.

وصف الفريق بقيادة NIST الجهاز في مجلة ساينس.

وفقًا للمؤلف المشارك كريستيان هافنر من NIST و ETH Zurich و جامعة ميريلاند ، فإن المفتاح له تطبيقات محتملة كثيرة. يمكن استخدامه في السيارات ذاتية القيادة لإعادة توجيه شعاع الضوء الذي يمسح الطريق لقياس المسافة إلى المركبات والمشاة الأخرى. يمكن أيضًا استخدام المفتاح في الشبكات العصبية ، باستخدام دوائر قوية تعمل بالضوء بدلاً من الكهرباء.

من الفوائد الرئيسية للمفتاح الجديد هو أنه يستخدم طاقة منخفضة لإعادة توجيه إشارات الضوء ، والتي يمكن أن تكون مهمة للغاية في الحوسبة الكمومية. الحاسوب الكمومي له علاقة هشة بين أزواج الجسيمات دون ذرية ، والتي تعالج البيانات. بسبب طابعها الهش ، يجب على الحاسوب العمل عند درجات حرارة و طاقة منخفضة جدًا بحيث لا تتأثر أزواج الجسيمات. منذ أن يتطلب المفتاح الجديد طاقة أقل ، يمكن أن يكون جانبًا مهمًا من الحوسبة الكمومية.

تحدي المعتقدات الراسخة

وفقًا لهافنر ، إلى جانب زملائه فلاديمير أكيسوك وهنري ليزيك من NIST ، فإن النتائج الجديدة تتعارض مع العديد من المعتقدات الراسخة في المجتمع العلمي. يعتقد العديد من الباحثين أن هذا النوع من المفاتيح لن يكون عمليًا بسبب حجمه الكبير ، وسيعمل عند فولتات عالية تسبب أداءًا بطيئًا.

يتضمن الإعداد قناة أنبوبية تسمى موجة توجيه ، ويتحرك شعاع الضوء داخلها. هناك مخرج حيث يخرج بعض الضوء إلى فراغ على بعد بضع نانومتر.

يستخدم المفتاح أيضًا غشاءًا رقيقًا من الذهب معلقًا على بعد بضع عشرات النانومتر فوق قرص سيليكوني ، الذي يتم نقش الفراغ فيه. عندما يتحرك الضوء ، يخرج بعضه و يضرب الغشاء. هذه النشاط تثير مجموعات الإلكترونات على سطح الغشاء لتتذبذب. تسمى هذه التذبذبات بلازمونات ، وهي مزيج من موجة الضوء وموجة الإلكترون. تذبذبات الإلكترونات لها طول موجة أقصر ، مما يسمح للباحثين بتحريك البلازمونات على مسافات نانومترية. كل هذا يساعد المفتاح البصري على أن يبقى مضغوطًا للغاية.

إذا غير الباحثون الفجوة بين قرص السيليكون وغشاء الذهب ببضع نانومتر ، يتم تأخير أو تقديم طور الموجة الهجينة. عندما يمتزج طور الموجة مع الضوء المتحرك في القناة الأنبوبية ، تسبب الموجتان الضوء إما أن يمنع أو يستمر في اتجاهه الأصلي. هذا يسمح بنقل الضوء إلى أي شريحة حاسوب أخرى حسب الرغبة.

الخطوة التالية للفريق هي تقصير المسافة بين قرص السيليكون وغشاء الذهب لجعل الجهاز أصغر. هذا سيساعد على تقليل خسارة الإشارةさらに ، مما يجعل المفتاح أكثر فائدة لصناعات مختلفة.