Свет желателен для использования в вычислениях, потому что он может нести более высокую плотность информации и намного быстрее и эффективнее, чем обычная электроника. Однако свет не так легко взаимодействует сам с собой, поэтому, хотя его можно использовать для быстрого перемещения информации, он не очень хорош для обработки информации.Например, в настоящее время свет используется для передачи информации на большие расстояния, например, в трансатлантических кабелях и волоконной оптике, обеспечивающих быстрый доступ в Интернет.
Однако, как только информация достигает вашего компьютера, требуется электроника для ее преобразования и обработки.Чтобы использовать свет для обработки на микрочипах, необходимо преодолеть несколько важных препятствий. Например, свет можно заставить взаимодействовать с использованием определенных материалов, но только на относительно больших расстояниях.
Однако теперь команда из Имперского колледжа Лондона сделала значительный шаг вперед, сократив расстояние, на котором свет может взаимодействовать, в 10 000 раз.Это означает, что то, что раньше требовало сантиметров, теперь может быть реализовано в масштабе микрометра (одна миллионная метра), что позволяет использовать оптическую обработку в диапазоне электрических транзисторов, которые в настоящее время используются в персональных компьютерах.
Результаты опубликованы сегодня в журнале Science.Доктор Майкл Нильсен из Департамента физики Imperial сказал: «Это исследование отметило один из квадратов, необходимых для оптических вычислений.«Поскольку свет не может легко взаимодействовать с самим собой, информация, передаваемая с помощью света, должна быть преобразована в электронный сигнал, а затем обратно в свет. Наша технология позволяет осуществлять обработку исключительно с помощью света».
Обычно, когда два световых луча пересекают друг друга, отдельные фотоны не взаимодействуют и не изменяют друг друга, как это делают два электрона при встрече. Специальные нелинейно-оптические материалы могут заставить фотоны взаимодействовать, но обычно эффект очень слабый.
Это означает, что необходим большой объем материала, чтобы постепенно накопить эффект и сделать его полезным.Однако, втиснув свет в канал шириной всего 25 нанометров (25 миллиардных долей метра), команда Империи увеличила его интенсивность. Это позволяло фотонам сильнее взаимодействовать на коротком расстоянии, изменяя свойства света, выходящего из другого конца канала длиной в один микрометр.Управление светом в таком маленьком масштабе — важный шаг в создании компьютеров, в которых свет используется вместо электроники.
Электронные вычисления находятся на пределе эффективности; хотя можно сделать более быстрый электронный процессор, затраты энергии на более быстрое перемещение данных памяти по компьютеру слишком высоки.Чтобы сделать компьютеры более мощными, процессоры вместо этого делаются меньше, чтобы больше можно было разместить в том же пространстве без увеличения скорости обработки. Оптическая обработка может практически не выделять тепла, а это означает, что использование света может сделать компьютеры намного быстрее и эффективнее.Команда достигла этого эффекта, используя металлический канал для фокусировки света внутри полимера, который ранее исследовался для использования в солнечных батареях.
Металлы более эффективно фокусируют свет, чем традиционные прозрачные материалы, а также используются для направления электрических сигналов.Таким образом, новая технология не только более эффективна, но и может быть интегрирована с существующей электроникой.
Д-р Руперт Олтон из Департамента физики Imperial сказал: «Использование света для передачи информации стало ближе к нашим домам. Сначала он был использован в трансатлантических кабелях, где пропускная способность была наиболее важной, но теперь устанавливается оптоволоконная широкополосная связь. на все большем и большем количестве улиц в Великобритании.
По мере того, как наша потребность в большем количестве данных возрастает, оптика должна будет войти в дом, а в конечном итоге и в наши компьютеры ».Достижение команды не только является важным шагом на пути к оптическим вычислениям, но и потенциально решает давнюю проблему в нелинейной оптике.
Поскольку взаимодействующие световые лучи разных цветов проходят через нелинейно-оптический материал с разной скоростью, они могут «сбиться», и желаемый эффект может быть потерян.В новом устройстве, поскольку свет проходит такое короткое расстояние, он не успевает сбиться с пути.
Это устраняет проблему и позволяет нелинейным оптическим устройствам быть более универсальными по типу оптической обработки, которая может быть достигнута.Что такое нелинейная оптика?
Процесс взаимодействия фотонов называется нелинейной оптикой. Технологии, в которых он используется, довольно распространены — простой пример — зеленая лазерная указка.
Непосредственно сделать зеленый лазер сложно, поэтому для преобразования инфракрасного света в зеленый используются нелинейные оптические кристаллы.Невидимый инфракрасный свет от полупроводникового лазерного диода, питаемого от батареек, проходит через кристалл, который позволяет фотонам взаимодействовать друг с другом.
Здесь два инфракрасных (невидимых) фотона соединяются, чтобы создать один фотон с удвоенной энергией, соответствующей зеленому свету.