Comutatorul optic poate redirecționa lumina între cipuri extrem de rapid

Cercetatorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au dezvoltat un comutator optic care este capabil să redirecționeze lumina între cipurile computerului în 20 de miliarde de secunde. Noul dispozitiv este mai rapid decât orice dispozitiv similar și ar putea fi integrat în cipuri de siliciu ieftine datorită tensiunilor sale scăzute. Când redirecționează lumina, cipul suferă pierderi de semnal foarte scăzute. 

Aplicații potențiale

Noul cip va avea implicații mari pentru calcul și va ajuta la dezvoltarea unui computer care procesează informații folosind mai degrabă lumină decât electricitate. Există mai multe avantaje în utilizarea fotonilor pentru a transporta date, inclusiv călătorii mai rapide și eficiență energetică. Odată cu utilizarea electricității, componentele computerului sunt încălzite, ceea ce irosește energie și limitează performanța computerului. 

Comutatorul nou dezvoltat folosește componente optice, electrice și mecanice de aur și siliciu la scară nanometrică. Acestea sunt toate dens împachetate și trimit lumină în și afară dintr-un canal. Acest lucru îi afectează viteza și direcția de deplasare. 

Dispozitivul a fost descris de echipa internațională condusă de NIST în Știință. 

Potrivit co-autorului Christian Haffner de la NIST, ETH Zurich și Universitatea din Maryland, comutatorul are o mulțime de aplicații potențiale. Ar putea fi folosit în vehiculele fără șofer pentru a redirecționa fasciculele de lumină care scanează un drum pentru a măsura distanța față de alte vehicule și pietoni. Comutatorul ar putea fi folosit și în rețelele neuronale, utilizând circuite mai puternice bazate pe lumină decât pe cele bazate pe electricitate. 

Unul dintre avantajele majore ale noului comutator este că folosește foarte puțină energie pentru a redirecționa semnalele luminoase, ceea ce ar putea fi extrem de important în calculul cuantic. Un computer cuantic are o relație fragilă între perechile de particule subatomice, care procesează datele. Datorită naturii lor fragile, un computer trebuie să funcționeze la temperaturi extrem de scăzute și putere scăzută, astfel încât perechile de particule să nu fie perturbate. Deoarece comutatorul nou dezvoltat necesită mult mai puțină energie, s-ar putea dovedi a fi un aspect important al calculului cuantic. 

Provocarea convingerilor de mult timp

Potrivit lui Haffner, împreună cu colegii săi Vladimir Akysuk și Henri Lezec de la NIST, noile descoperiri contrazic multe credințe de lungă durată în comunitatea științifică. Mulți cercetători cred că aceste tipuri de comutatoare nu ar fi practice din cauza dimensiunilor lor voluminoase și ar funcționa la tensiuni înalte care provoacă o performanță lentă. 

Configurația include un canal în formă de tub numit ghid de undă și un fascicul de lumină călătorește în interiorul acestuia. Există o rampă de ieșire în care o parte din lumină iese într-o cavitate care este la câțiva nanometri distanță. 

Comutatorul folosește, de asemenea, o membrană subțire de aur care este suspendată la câteva zeci de nanometri deasupra unui disc de siliciu, care are cavitatea gravată în el. Când lumina se deplasează în jur, o parte din ea se scurge și lovește membrana. Această activitate induce grupurile de electroni care se află pe suprafața membranei să oscileze. Oscilațiile se numesc plasmoni și sunt un amestec între o undă de lumină și o undă de electroni. Electronii oscilanți au o lungime de undă mai scurtă, ceea ce permite cercetătorilor să manipuleze plasmonii pe distanțe nanometrice. Toate acestea ajută comutatorul optic să rămână extrem de compact. 

Dacă cercetătorii modifică decalajul dintre discul de siliciu și membrul de aur cu câțiva nanometri, faza undei de lumină hibridă este întârziată sau avansată. Când faza undei se recombină cu lumina care se deplasează în canalul în formă de tub, cele două fascicule fac ca lumina fie să fie obstrucționată, fie să continue în direcția sa inițială. Acest lucru permite ca lumina să fie transferată la orice alte cipuri de calculator după bunul plac. 

Următorii pași ai echipei implică scurtarea distanței dintre discul de siliciu și membrana de aur pentru a face dispozitivul mai mic. Acest lucru ar ajuta la reducerea pierderilor de semnal, făcând comutatorul și mai util pentru diferite industrii.