Оптический переключатель может перенаправлять свет между чипами чрезвычайно быстро

Исследователи в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) разработали оптический переключатель, способный перенаправлять свет между компьютерными чипами в течение 20 миллиардных долей секунды. Новое устройство быстрее, чем любые подобные устройства, и оно может быть интегрировано в низкозатратные кремниевые чипы благодаря своим низким напряжениям. Когда оно перенаправляет свет, чип испытывает очень низкие потери сигнала.

Потенциальные применения

Новый чип будет иметь большое значение для вычислений, и он поможет разработать компьютер, который обрабатывает информацию с помощью света, а не электричества. Существует несколько преимуществ использования фотонов для транспортировки данных, включая более быстрое перемещение и энергоэффективность. При использовании электричества компоненты компьютера нагреваются, что приводит к потере энергии и ограничивает производительность компьютера.

Разработанный переключатель использует нанометровые золотые и кремниевые оптические, электрические и механические компоненты. Все они плотно упакованы и отправляют свет в и из канала. Это влияет на его скорость и направление движения.

Устройство было описано командой NIST в Science.

По словам соавтора Кристиана Хаффнера из NIST, ETH Zurich и Университета Мэриленда, переключатель имеет много потенциальных применений. Он может быть использован в беспилотных транспортных средствах для перенаправления световых лучей, которые сканируют дорогу, чтобы измерить расстояние до других транспортных средств и пешеходов. Переключатель также может быть использован в нейронных сетях, используя более мощные световые схемы, а не электрические.

Одним из основных преимуществ нового переключателя является то, что он использует очень мало энергии для перенаправления световых сигналов, что может быть чрезвычайно важно в квантовых вычислениях. Квантовый компьютер имеет хрупкие отношения между парами субатомных частиц, которые обрабатывают данные. Из-за их хрупкой природы компьютер должен работать при чрезвычайно низких температурах и низкой мощности, чтобы не нарушить пары частиц. Поскольку разработанный переключатель требует гораздо меньше энергии, он может оказаться важным аспектом квантовых вычислений.

Вызов устоявшимся убеждениям

По словам Хаффнера, а также его коллег Владимира Акысука и Анри Лезека из NIST, новые открытия противоречат многим устоявшимся убеждениям в научном сообществе. Многие исследователи считают, что такие переключатели не будут практичными из-за их громоздкого размера и будут работать при высоких напряжениях, что приведет к медленной производительности.

Установка включает в себя трубчатый канал, называемый волноводом, и световой луч, движущийся внутри него. Там есть съезд, где часть света выходит в полость, расположенную всего в нескольких нанометрах.

Переключатель также использует тонкую золотую мембрану, подвешенную на несколько десятков нанометров над кремниевым диском, в котором вырезана полость. Когда свет движется вокруг, часть его выходит и попадает на мембрану. Это действие вызывает колебания групп электронов на поверхности мембраны. Эти колебания называются плазмонами и представляют собой смесь световой волны и электронной волны. Колеблющиеся электроны имеют более короткую длину волны, что позволяет исследователям манипулировать плазмонами на наноразмерных расстояниях. Все это помогает оптическому переключателю оставаться чрезвычайно компактным.

Если исследователи изменяют зазор между кремниевым диском и золотым членом на несколько нанометров, фаза гибридной световой волны задерживается или ускоряется. Когда фаза волны воссоединяется со светом, движущимся в трубчатом канале, два луча вызывают либо блокировку света, либо его продолжение в исходном направлении. Это позволяет свету передаваться на любой другой компьютерный чип по желанию.

Следующие шаги команды включают сокращение расстояния между кремниевым диском и золотой мембраной, чтобы сделать устройство меньше. Это поможет еще больше уменьшить потерю сигнала, сделав переключатель еще более полезным для различных отраслей.