Công tắc Quang học Có thể Chuyển hướng Ánh sáng Giữa Các Chip Rất Nhanh

Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã phát triển một công tắc quang học có khả năng chuyển hướng ánh sáng giữa các chip máy tính trong 20 tỷ giây. Thiết bị mới này nhanh hơn bất kỳ thiết bị tương tự nào khác và có thể được tích hợp vào các chip silic giá rẻ do điện áp thấp. Khi nó chuyển hướng ánh sáng, chip遭受 rất ít tổn thất tín hiệu. 

Ứng dụng Tiềm năng

Chip mới này sẽ có những ý nghĩa lớn đối với việc tính toán, và nó sẽ giúp phát triển một máy tính xử lý thông tin sử dụng ánh sáng thay vì điện. Có một số lợi thế khi sử dụng photon để vận chuyển dữ liệu, bao gồm cả việc di chuyển nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng. Khi sử dụng điện, các thành phần máy tính bị nóng lên, điều này浪 phí năng lượng và hạn chế hiệu suất của máy tính. 

Công tắc mới được phát triển sử dụng các thành phần quang học, điện và cơ học có kích thước nanomet. Tất cả đều được đóng gói chặt chẽ và gửi ánh sáng vào và ra khỏi một kênh. Điều này ảnh hưởng đến tốc độ và hướng di chuyển của ánh sáng. 

Thiết bị này được mô tả bởi nhóm nghiên cứu quốc tế do NIST dẫn đầu trong Science. 

Theo đồng tác giả Christian Haffner của NIST, ETH Zurich và Đại học Maryland, công tắc này có nhiều ứng dụng tiềm năng. Nó có thể được sử dụng trong các phương tiện tự lái để chuyển hướng các chùm ánh sáng quét đường để đo khoảng cách đến các phương tiện và người đi bộ khác. Công tắc cũng có thể được sử dụng trong các mạng nơ-ron, sử dụng các mạch dựa trên ánh sáng mạnh hơn thay vì dựa trên điện. 

Một trong những lợi thế lớn của công tắc mới này là nó sử dụng rất ít năng lượng để chuyển hướng tín hiệu ánh sáng, điều này có thể cực kỳ quan trọng trong tính toán lượng tử. Một máy tính lượng tử có mối quan hệ mong manh giữa các cặp hạt hạ nguyên tử, điều này xử lý dữ liệu. Do tính chất mong manh của chúng, máy tính cần hoạt động ở nhiệt độ và công suất rất thấp để không làm gián đoạn các cặp hạt. Vì công tắc mới được phát triển yêu cầu ít năng lượng hơn, nó có thể trở thành một khía cạnh quan trọng của tính toán lượng tử. 

Thử thách Niềm tin Đã Được Giữ từ Lâu

Theo Haffner, cùng với các đồng nghiệp Vladimir Akysuk và Henri Lezec của NIST, những phát hiện mới này mâu thuẫn với nhiều niềm tin đã được giữ từ lâu trong cộng đồng khoa học. Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng những loại công tắc này sẽ không thực tế do kích thước cồng kềnh và chúng sẽ hoạt động ở điện áp cao gây ra hiệu suất chậm. 

Thiết lập bao gồm một kênh hình ống gọi là waveguide, và một chùm ánh sáng di chuyển bên trong nó. Có một lối ra nơi một số ánh sáng thoát ra vào một hốc có kích thước chỉ vài nanomet. 

Công tắc cũng sử dụng một màng mỏng làm bằng vàng được treo vài chục nanomet trên một đĩa silic, có hốc được khắc vào đó. Khi ánh sáng di chuyển xung quanh, một số ánh sáng bị rò rỉ và va vào màng. Hoạt động này gây ra các nhóm electron trên bề mặt màng dao động. Các dao động được gọi là plasmon, và chúng là sự kết hợp giữa sóng ánh sáng và sóng electron. Các electron dao động có bước sóng ngắn hơn, cho phép các nhà nghiên cứu điều khiển plasmon trên khoảng cách nanomet. Tất cả điều này giúp công tắc quang học vẫn rất紧凑. 

Nếu các nhà nghiên cứu thay đổi khoảng cách giữa đĩa silic và màng vàng bằng vài nanomet, pha của sóng ánh sáng hỗn hợp bị chậm lại hoặc nhanh lên. Khi pha của sóng tái hợp với ánh sáng di chuyển trong kênh hình ống, hai chùm ánh sáng gây ra ánh sáng bị cản trở hoặc tiếp tục di chuyển theo hướng ban đầu. Điều này cho phép ánh sáng được chuyển đến bất kỳ chip máy tính nào theo ý muốn. 

Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu liên quan đến việc giảm khoảng cách giữa đĩa silic và màng vàng để làm cho thiết bị nhỏ hơn. Điều này sẽ giúp giảm thêm tổn thất tín hiệu, làm cho công tắc trở nên hữu ích hơn cho các ngành công nghiệp khác nhau.