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 вчера в 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 тысяч раз.
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 задачи, поскольку обеспечивают сильное взаимодействие света с веществом и, как следствие, мощный коллективный квантовый отклик в виде сверхизлучения», — заявили исследователи.
Авторы 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. Работа в Сколтехе поддержана Российским научным фондом (РНФ).
Telegram 
Дзен 
VK По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Обычно тела меньше тысячи километров не могут удержать вокруг себя полноценную газовую оболочку: слишком невелика сила тяжести. Несмотря на это, малая планета (612533) 2002 XV93 — диаметром всего полтысячи километров — во время звездного затмения показала, что у нее атмосфера есть. Как это вышло, пока неясно, хотя у астрономов-первооткрывателей и есть пара гипотез.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно