Отвъд пределите на силиция: Създадоха първия напълно интегриран валитронен чип

Австралийски учени създадоха първата фотонна интегрална схема, която генерира, насочва и разчита светлинна информация чрез „долинна“ степен на свобода – всичко това на един чип и при стайна температура. Устройството комбинира материали с дебелина няколко атома с метаповърхности – наноструктури, които контролират светлината. Разработката решава дългогодишен проблем в областта на валитрониката: досега учените можеха или да създават, или да откриват такива сигнали, но не и да интегрират целия цикъл в един чип.

В някои двуизмерни материали електроните могат да съществуват в две енергийно равни, но пространствено разделени състояния – „долини“ в зоната на Брилюен. Преходът между долините може да се кодира като 0 и 1, което е подобно на битовете, но с допълнителни квантови предимства. Информацията се разчита чрез кръговата поляризация на излъчваната светлина. Степента на свобода на долината е устойчива на външни смущения, което обещава по-преодолими и енергийно ефективни изчисления в сравнение с традиционната електроника.

Ключовите компоненти са ултратънък слой от молибденов дисулфид (MoS₂) или подобен преходен метал-дихалкогенид и метаповърхност – изкуствена наноструктура, състояща се от малки антени, които променят фазата и амплитудата на светлината. Простият метод „слой по слой“ позволява тези елементи да бъдат интегрирани без сложен кристален растеж, директно върху фотонните структури. Схемата генерира светлинни сигнали със специфична поляризация, насочва ги по желания път и след това ги преобразува обратно в електрически ток – всичко това в един чип.

Много квантови технологии изискват криогенно охлаждане, което ги прави обемисти и скъпи. Устройството на експертите от Университета Монаш работи при стайна температура, което е от решаващо значение за практическите приложения. Стабилността на долинните състояния при 300 К е постигната благодарение на висококачествени двуизмерни материали и ефективна защита от разсейване на фононите.

За да проверят ефективността, изследователите кодират две различни изображения в един светлинен лъч, използвайки две различни долинови състояния. Системата успешно разделя и декодира двете изображения на изхода, съобщава Phys. Това показва, че чипът е способен паралелно да обработва множество потоци от информация.

Следващи стъпки за учените са: повишаване на ефективността на генериране на поляризирана светлина, мащабиране до по-големи площи и интегриране със стандартната електроника. В дългосрочен план това би могло да доведе до енергийно ефективни чипове за изкуствен интелект и нови видове оптични комуникации, при които информацията се кодира не само по интензитет и честота, но и по долинни степени на свобода.

Новата архитектура е перфектна база за изграждането на енергийно ефективни невронни мрежи и квантови компютри. Тъй като електроните в отделните долини могат да съществуват в състояние на суперпозиция, валитронните чипове могат едновременно да обработват множество информационни потоци, изпреварвайки многократно възможностите на най-мощните съвременни суперкомпютри.