Процесор от светлина? Да, той съществува, работи при 25°C и изпреварва силиция с два порядъка по скорост

Учени от Сколтех и Университета във Вупертал (Германия) показаха, че създаденият по-рано в Skoltech универсален оптичен логически елемент може да работи със скорост 240 гигахерца при стайна температура. Това постижение е станало възможно благодарение на използването на кондензати на поляритони – екзотични квазичастици, които съчетават свойствата на светлината и материята.

В нова статия, публикувана в списание Physical Review B авторите също така изследват какво ограничава скоростта на промяна на логическите състояния в такива устройства. Те са обърнали специално внимание на т.нар. бимолекулярно гасене – процес, който играе ключова роля за ограничаване на честотата на работа не само на поляритонните транзистори, но и на класическите електронни.

Лабораторията по хибридна фотоника на Сколтех, ръководена от професор Павлос Лагудакис, носител на наградата „Научно предизвикателство“ и вицепрезидент на Сколтех по фундаменталните изследвания от няколко години разработва подходи за ускоряване на изчислителната техника чрез преминаване от електронни към оптични компоненти.

Системите, базирани на светлина имат потенциала да работят хиляди пъти по-бързо от електронните си аналози, без да прегряват, което ги прави особено привлекателни за изграждане на компютрите на бъдещето.

Екипът вече представи оптичен логически елемент от типа NOR – той съчетава логическите операции „НЕ“ и „ИЛИ“, има множество входове и е изграден изцяло от поляритонови кондензатори. Това означава, че той работи без електрически ток и може да бъде мащабиран в цялостни схеми. Изчислено е, че такива логически елементи могат да функционират стотици порядъци по-бързо от традиционните транзистори.

Въпреки това ключово ограничение остава необходимостта от ясно разграничаване на логическите състояния „0“ и „1“ между последователни импулси. Остатъчните поляритони от предишния сигнал могат да попречат на разпознаването на следващия сигнал, като го усилят или му попречат. Ето защо е важно да се вземат предвид ефекти като бимолекулярно гасене и зависимост на загубите от импулс до импулс.

„Нашето изследване показа, че логическият елемент наистина може да работи при 240 GHz. Описахме и ефекта на бимолекулярното гасене, който определено трябва да се вземе предвид при изчисленията, тъй като ограничава максималната тактова честота на устройството.“

казва Михаил Мишко, докторант в програмата по физика в Сколтех и водещ автор на изследването

Авторите предлагат теоретичен модел, който отчита загубите, зависещи от вектора на импулса и демонстрират, че той съвпада добре с експерименталните резултати. Учените отбелязват, че за постигане на оптимална ефективност продължителността на управляващите импулси трябва да бъде по-кратка от характерното време на ключовите процеси, които определят динамиката на поляритоните.

Това изследване е важна стъпка към създаването на оптични компютри, които могат да извършват изчисления стотици пъти по-бързо от днешните устройства и могат да станат основа на бъдещи технологии.