Новый оптический «транзистор» ускорит вычисления в тысячу раз при минимальных энергозатратах
Международная научная группа во главе с исследователями из Сколтеха и IBM создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который мог бы заменить электронные транзисторы в новом поколении компьютеров, оперирующих фотонами, а не электронами. Переключатель не только напрямую сберегает энергию, но и не требует охлаждения, и притом очень быстро работает: способный выполнять триллион операций в секунду, он в 100–1000 раз быстрее, чем самые производительные современные коммерческие транзисторы. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в среду в научном журнале Nature.
«Новое устройство чрезвычайно энергоэффективно благодаря тому, что для его переключения требуется всего несколько фотонов», — прокомментировал первый автор исследования, Антон Заседателев. «На самом деле, в лабораториях Сколтеха мы добились переключения даже одним фотоном при комнатной температуре, — добавил профессор Павлос Лагудакис, возглавляющий лабораторию гибридной фотоники в Сколтехе. — Тем не менее предстоит пройти долгий путь от наблюдения эффекта в лаборатории до разработки реальных полностью оптических сопроцессоров».
Поскольку фотон — мельчайшая существующая в природе частица света, ученые, по сути, подобрались к пределу энергоэффективности. Если говорить об электрических транзисторах, то большинство из них сегодня требуют в десятки раз больше энергии для переключения, а те, что достигают сопоставимой эффективности — за счет совершения манипуляций с одиночными электронами — работают намного медленнее.
Конкурирующие энергосберегающие электронные транзисторы не только проигрывают в производительности, но и нуждаются в громоздком охлаждающем оборудовании, которое, в свою очередь, потребляет дополнительную энергии и увеличивает эксплуатационные расходы. Новый переключатель может работать при комнатной температуре и, следовательно, не подвержен этим проблемам.
В дополнение к своей основной функции переключатель может работать как связывающий устройства компонент, который передает данные между ними в виде оптических сигналов. Он также может служить усилителем, увеличивая интенсивность входного сигнала до 23 тыс. раз.
Как это работает
Устройство использует два лазера, чтобы установить свое состояние на уровне «0» или «1» и переключаться между ними. Концептуально это работает так, что очень слабый контрольный лазерный луч используется для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого в контрольном луче требуется всего несколько фотонов, чем и обусловлена высокая эффективность устройства.
Но сложность состоит в том, что лазеры сами по себе не способны оказывать влияние друг на друга из-за ничтожно слабого взаимодействия фотонов. Для того, чтобы реализовать концепцию переключения, нужна некая среда. В нашем случае переключение происходит внутри микрорезонатора — органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажатого между неорганическими структурами с высокой отражающей способностью. Микрорезонатор построен таким образом, чтобы как можно дольше удерживать входящий свет внутри и усиливать его взаимодействие с веществом (органическим полимером).
Именно сильное взаимодействие света с веществом и обеспечивает функционирование нового устройства. Когда внутри резонатора фотоны взаимодействуют со связанными электронно-дырочными парами (экситонами), возникают экситон-поляритоны — гибридные состояния света и вещества с очень малым временем жизни, которые относятся к так называемым квазичастицам и лежат в основе работы переключателя.
Когда лазер накачки — более яркий из двух — светит на переключатель, в одном и том же месте создаются тысячи одинаковых квазичастиц, образуя так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1» устройства.
Чтобы переключаться между двумя уровнями устройства, команда использовала контрольный лазерный импульс, создающий условия для возникновения конденсата незадолго до появления лазерного импульса накачки. Таким образом, контрольный импульс увеличивает эффективность преобразования энергии лазера накачки, что в свою очередь приводит к большему количеству квазичастиц в конденсате. Большее количество частиц соответствует логическому уровню «1» устройства.
Для снижения энергопотребления ученые использовали ряд хитростей. Во-первых, эффективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового полимера. Трюк состоит в том, чтобы согласовать энергию частиц накачки и энергию частиц в конденсате при помощи молекулярных колебаний в полимере внутри резонатора. Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны лазеров и внедрить новую схему измерения, позволяющую регистрировать состояние конденсата в каждой отдельной реализации. В-третьих, формирующий конденсат контрольный лазер и схема детектирования были согласованы таким образом, чтобы минимизировать шум от фонового излучения устройства. Эти меры максимально улучшили показатель «сигнал — шум» устройства и предотвратили поглощение избыточной энергии в микрорезонаторе, избежав тем самым чрезмерного нагрева устройства.
«Нам предстоит работа по снижению общего энергопотребления устройства, в котором в настоящее время доминирует лазер накачки, поддерживающий переключатель в активном состоянии. Одним из перспективных способов достижения этой цели могут быть перовскитные суперкристаллические материалы, подобные тем, которые мы исследуем с коллегами. Они отлично подходят для этой цели, поскольку обеспечивают сильное взаимодействие света с веществом и, как следствие, мощный коллективный квантовый отклик в виде сверхизлучения», — заявили исследователи.
Авторы исследования подчеркивают важность предложенного принципа оптического однофотонного переключения: он может быть распространен на другие полностью оптические компоненты, которые коллектив разрабатывает последние несколько лет. В числе прочего их набор включает различные логические вентили, каскадный усилитель и кремниевый волновод с малыми потерями для переноса оптических сигналов между транзисторами. Разработка такого рода компонентов планомерно приближает нас к появлению оптических компьютеров, которые будут манипулировать фотонами, а не электронами и за счет этого работать быстрее традиционных вычислителей и расходовать меньше энергии.