В Сколтехе создали «вентиль» для оптического компьютера

Результаты работы представлены в журнале Nature Communications. По словам исследователей, на базе нового вентиля NOR можно создать любые типы логических элементов, необходимых для оптических микросхем, и проводить вычисления без участия электрического тока. Результаты исследования приближают ученых к давней мечте о создании оптических компьютеров, которые смогут работать в сотни раз быстрее традиционных компьютеров на основе электронных технологий.

«Мы впервые на практике реализовали каскадируемый оптический универсальный логический вентиль, а значит, наши эксперименты открывают путь к созданию полностью оптического вычислителя. Дело в том, что современные компьютеры ограничены по частоте работы электронного процессора в несколько ГГц. С 1980-х годов для увеличения скорости вычислений производители постоянно увеличивали тактовую частоту процессора, но затем столкнулись с принципиальным физическим ограничением — если поднимать частоту процессора выше нескольких ГГц, то процессор просто превращается в электрообогреватель.

В 2019 году наша лаборатория разработала первый в мире сверхбыстрый оптический поляритонный транзистор, который работает при комнатной температуре и является основным строительным блоком оптических поляритонных логических цепей. А в чем преимущество оптики? Прежде всего она не ограничена несколькими ГГц тактовой частоты. Мы можем работать с поляритонными транзисторами с частотой до одного ТГц, что примерно в 300 раз быстрее электронных аналогов. В другой нашей работе мы показали, что для управления оптическим поляритонным транзистором достаточно одного фотона, что не может быть реализовано в любой другой оптической системе», — рассказал первый автор работы Денис Санников, заместитель руководителя Лаборатории гибридной фотоники в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха.

Логические элементы — или вентили — выполняют в устройстве различные логические операции — конъюнкцию, дизъюнкцию, отрицание и так далее. Процессор в компьютере состоит из миллиардов транзисторов, объединенных в эти логические элементы, которые при подаче какого-то входного сигнала, производят внутренние вычисления и выдают, например, изображение на экран. Логический вентиль принимает на каждый из своих входов сигнал с логическим уровнем «0» или «1», а на выходе возвращает сигнал «0» или «1» в соответствии с предварительно заданными правилами. Обычно электронные вентили имеют 2-8 входов и 1-2 выхода, но в экспериментах ученых Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха новый оптический универсальный вентиль успешно справился с 12 входами — в этом еще одно конкурентное преимущество разработки.

«Для создания универсального вентиля мы использовали особые свойства „жидкого света“ — так сейчас называют поляритонные конденсаты, способные усиливать слабые оптические сигналы в десятки тысяч раз. Чтобы создать такой „жидкий свет“, для начала мы должны сконденсировать поляритоны в основное состояние. Если проводить параллель, то это подобно водяному пару в воздухе, который превращается в воду на холодном стекле окна. Мы же пошли дальше и научились конденсировать поляритоны не только в основное состояние, но и в неосновное — состояние с большей энергией.

Этот эффект позволил решить давнюю проблему полностью оптических, логических элементов, заключающуюся в отключении оптического сигнала с помощью света, делая из логической единицы ноль, — добавил Денис Санников. — Фотоны, в отличие от электронов, не взаимодействуют друг с другом, и поэтому создание такого оптического логического преобразователя долгое время оставалось физическим и технологическим вызовом. Мы добились решения этой задачи благодаря использованию уникальных свойств „жидкого света“, объединяющего в себе свойства как фотонов, так и электронов, что позволило создать оптический поляритонный универсальный вентиль».

Исследование поддержано грантом РНФ «Оптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках».

Сколтех

460 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше