Світло в допомогу: оптичний транзистор нового покоління прискорить комп'ютери в 1 000 разів

Міжнародна команда вчених розробила новий оптичний перемикач, який значно прискорює роботу комп'ютерів порівняно з найкращими транзисторами.

Вони відзвітували про своє досягнення в журналі Nature.

За словами розробників, їхній пристрій зможе повністю замінити електронні транзистори в комп'ютерах нового покоління, які замість електронів будуть використовувати частки світла — фотони. Оптичний перемикач забезпечує високу швидкість роботи: при 1 трлн операцій на секунду обчислення проводяться в 100-1 000 разів швидше порівняно з наявними комерційними транзисторами. Крім того, він показує високу енергоефективність і може працювати за кімнатної температури.

Учені пояснили, що новий тип транзисторів витрачає вкрай мало енергії, адже для перемикання необхідно всього кілька фотонів. Під час тестів дослідники змогли переключити пристрій за кімнатної температури, використавши всього один фотон.

Пристрій складається з 2-х лазерів, які перемикаються між "0" і "1". Слабкий керівний лазерний промінь дозволяє вмикати і вимикати сильніший промінь. Перемикання між станами відбувається всередині порожнього органічного полімерного напівпровідника товщиною 35 нанометрів, який розміщений між відображальними неорганічними елементами. Мікропорожнина повинна максимально довго утримувати фотони всередині, щоб ті ефективно взаємодіяли з електронно-дірковими парами (electron-hole pairs), які називають екситонами.

Унаслідок такого зв'язку виникають тисячі ідентичних квазічастин, екситон-поляритонів, які кодують логічні стани "0" і "1", утворюючи конденсат Бозе-Ейнштейна — це стан, коли речовини набувають квантових властивостей. Для перемикання вчені використовували лазерний імпульс, який збільшив кількість квазічастин у конденсаті до рівня, що відповідає "1". Зменшення ж екситон-поляритонів повертає "транзистор" до стану "0".

"Нас ще чекає робота зі зниження загального енергоспоживання нашого пристрою, в якому наразі переважає лазер накачування, який утримує перемикач у ввімкненому стані. Шлях до цієї мети може лежати в перовськітних суперкристалічних матеріалах, подібних до тих, які ми досліджуємо зі співавторами", — зазначається в статті.

Сучасні транзистори, які використовують поодинокі електрони, за тих же витрат енергії працюють набагато повільніше. Крім того, велика частина з них вимагають охолоджувального устаткування, яке теж споживає багато електрики.

Крім своєї основної функції, новий перемикач можна використовувати як сполучний компонент, що передає дані між пристроями у вигляді оптичних сигналів. Він також може посилювати інтенсивність вхідного лазерного променя до 23 тис. разів. Учені вважають, що створення такого перемикача наближає людство до створення оптичних комп'ютерів, більш економних та продуктивних, ніж наявні зараз.

Раніше вчені вперше створили надпродуктивний фотонний процесор. За словами розробників, він може здійснювати обчислення "зі швидкістю світла".

Писали також, що інженери розробили фотонний чіп розміром із монету. Пристрій розділяє світло на хвилі різної довжини, забезпечуючи квантові обчислення.