Comutator optic care poate redirecționa lumina între cipuri extrem de rapid

Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au dezvoltat un comutator optic care poate redirecționa lumina între cipuri de calculator în 20 de miliarde de secunde. Noul dispozitiv este mai rapid decât orice dispozitiv similar și poate fi integrat în cipuri de siliciu de joasă tensiune, datorită tensiunilor sale scăzute. Atunci când redirecționează lumina, cipul suferă o pierdere de semnal foarte mică.

Aplikații potențiale

Noul cip va avea implicații majore pentru calculatoare și va ajuta la dezvoltarea unui computer care procesează informații utilizând lumina, în loc de electricitate. Există mai multe avantaje în utilizarea fotonilor pentru transportul de date, inclusiv o călătorie mai rapidă și o eficiență energetică mai mare. Cu utilizarea electricității, componentele computerului se încălzesc, ceea ce duce la o irosire de energie și limitează performanța calculatorului.

Comutatorul nou dezvoltat utilizează componente optice, electrice și mecanice de scară nanometrică din aur și siliciu. Acestea sunt dense și trimit lumina în și dintr-un canal, ceea ce afectează viteza și direcția de deplasare.

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

Conform coautorului Christian Haffner de la NIST, ETH Zurich și Universitatea Maryland, comutatorul are multe aplicații potențiale. Acesta poate fi utilizat în vehicule autonome pentru a redirecționa fascicule de lumină care scanează o șosea pentru a măsura distanța până la alte vehicule și pietoni. Comutatorul poate fi utilizat și în rețele neuronale, utilizând circuite bazate pe lumină mai puternice decât cele bazate pe electricitate.

Unul dintre principalele avantaje ale noului comutator este că utilizează foarte puțină energie pentru a redirecționa semnalele de lumină, ceea ce poate fi extrem de important în calculul cuantic. Un computer cuantic are o relație fragilă între perechi de particule subatomice care procesează date. Din cauza naturii lor fragile, un computer trebuie să funcționeze la temperaturi și puteri extrem de scăzute, astfel încât perechile de particule să nu fie perturbate. Deoarece comutatorul nou dezvoltat necesită mult mai puțină energie, acesta poate fi un aspect important al calculului cuantic.

Provocarea unor convingeri vechi

Conform lui Haffner, împreună cu colegii săi Vladimir Akysuk și Henri Lezec de la NIST, noile descoperiri contrazic multe convingeri vechi din comunitatea științifică. Mulți cercetători cred că astfel de comutatoare nu ar fi practice din cauza dimensiunilor lor voluminoase și a funcționării la tensiuni ridicate care cauzează o performanță lentă.

Configurația include un canal tubular numit ghid de undă, și un fascicul de lumină care călătorește în interiorul acestuia. Există o ieșire unde o parte a luminii iese într-o cavitate care se află la câteva nanometri distanță.

Comutatorul utilizează și o membrană subțire de aur care este suspendată la câteva zeci de nanometri deasupra unui disc de siliciu, care are o cavitate gravată în el. Atunci când lumina călătorește în jur, o parte a acesteia iese și lovește membrana. Această activitate induce grupuri de electroni care se află pe suprafața membranei să oscileze. Oscilațiile sunt numite plasmoni și reprezintă o combinație 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 schimbă distanța dintre discul de siliciu și membrana de aur cu câteva nanometri, faza undei hibride de lumină este întârziată sau avansată. Atunci când faza undei se reunește cu lumina care călătorește în canalul tubular, cele două fascicule cauzează lumina să fie fie blocată, fie să continue în direcția sa inițială. Acest lucru permite luminii să fie transferată către orice alt cip de calculator la dorință.

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 și mai mult a pierderii de semnal, făcând comutatorul și mai util pentru diverse industrii.