Den digitale fremtid kan stole på optiske switches en million gange hurtigere end nutidens transistorer

Den digitale fremtid kan stole på optiske switches en million gange hurtigere end nutidens transistorer

Tidsstempel: 24. juli 2023 kl. 3:39
The Digital Future May Rely on Optical Switches a Million Times Faster Than Today's Transistors PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Hvis du nogensinde har ønsket, at du havde en hurtigere telefon, computer eller internetforbindelse, er du stødt på den personlige oplevelse af at ramme en grænse af teknologi. Men der kan være hjælp på vej.

I løbet af de sidste mange årtier har videnskabsmænd og ingeniører ligesom mig har arbejdet på at udvikle hurtigere transistorer, de elektroniske komponenter, der ligger til grund for moderne elektroniske og digitale kommunikationsteknologier. Disse bestræbelser har været baseret på en kategori af materialer kaldet halvledere, der har særlige elektriske egenskaber. Silicon er måske det bedst kendte eksempel på denne type materiale.

Men for omkring et årti siden ramte videnskabelig indsats hastighedsgrænsen for halvlederbaserede transistorer. Forskere kan simpelthen ikke få elektroner til at bevæge sig hurtigere gennem disse materialer. En måde, ingeniører forsøger at adressere de hastighedsgrænser, der er forbundet med at flytte en strøm gennem silicium, er at designe kortere fysiske kredsløb - i det væsentlige giver elektroner mindre afstand at rejse. At øge en chips computerkraft kommer ned til at øge antallet af transistorer. Men selvom forskere er i stand til at få transistorer til at være meget små, vil de ikke være hurtige nok til de hurtigere behandlings- og dataoverførselshastigheder, som folk og virksomheder har brug for.

My forskningsgruppens arbejde har til formål at udvikle hurtigere måder at flytte data på ved hjælp af ultrahurtige laserimpulser i fri plads og optisk fiber. Laserlyset bevæger sig gennem optisk fiber næsten uden tab og med et meget lavt støjniveau.

I vores seneste undersøgelse, offentliggjort i februar 2023 i Science Forskud, tog vi et skridt hen imod det og demonstrerede, at det er muligt at bruge laserbaserede systemer udstyret med optiske transistorer, som er afhængige af fotoner frem for spænding for at flytte elektroner, og til at overføre information meget hurtigere end nuværende systemer - og gør det mere effektivt end tidligere rapporterede optiske kontakter.

Ultrahurtige optiske transistorer

På deres mest grundlæggende niveau involverer digitale transmissioner et signal, der tænder og slukker for at repræsentere etere og nuller. Elektroniske transistorer bruger spænding til at sende dette signal: Når spændingen får elektronerne til at strømme gennem systemet, signalerer de et 1; når der ikke strømmer elektroner, signalerer det et 0. Dette kræver en kilde til at udsende elektronerne og en modtager til at detektere dem.

Vores system med ultrahurtig optisk datatransmission er baseret på lys frem for spænding. Vores forskergruppe er en af ​​mange, der arbejder med optisk kommunikation på transistorniveau – byggestenene i moderne processorer – for at komme uden om de nuværende begrænsninger med silicium.

Vores system styrer reflekteret lys for at transmittere information. Når lyset skinner på et stykke glas, passerer det meste igennem, selvom en lille smule kan reflektere. Det er det, du oplever som blænding, når du kører mod sollys eller kigger gennem et vindue.

Vi bruger to laserstråler, der transmitteres fra to kilder, der passerer gennem det samme stykke glas. Den ene stråle er konstant, men dens transmission gennem glasset styres af den anden stråle. Ved at bruge den anden stråle til at skifte glassets egenskaber fra transparent til reflekterende, kan vi starte og stoppe transmissionen af ​​den konstante stråle, og skifte det optiske signal fra til til fra og tilbage igen meget hurtigt.

Med denne metode kan vi skifte glasegenskaberne meget hurtigere, end nuværende systemer kan sende elektroner. Så vi kan sende mange flere tænd- og sluk-signaler – nuller og enere – på kortere tid.

Hvor hurtigt taler vi?

Vores undersøgelse tog det første skridt til at transmittere data 1 million gange hurtigere, end hvis vi havde brugt den typiske elektronik. Med elektroner er den maksimale hastighed for overførsel af data en nanosekund, en milliardtedel af et sekund, hvilket er meget hurtigt. Men den optiske switch, vi konstruerede, var i stand til at transmittere data en million gange hurtigere, hvilket kun tog nogle få hundrede attosekunder.

Vi var også i stand til at overføre disse signaler sikkert, så en angriber, der forsøgte at opsnappe eller ændre beskederne, ville mislykkes eller blive opdaget.

Brug af en laserstråle til at bære et signal og justering af dets signalintensitet med glas styret af en anden laserstråle betyder, at informationen ikke kun kan rejse hurtigere, men også meget større afstande.

For eksempel sendte James Webb Space Telescope for nylig fantastiske billeder langt ude i rummet. Disse billeder blev overført som data fra teleskopet til basestationen på Jorden med en hastighed på én "on" eller "off" hvert 35 nanosekund ved hjælp af optisk kommunikation.

Et lasersystem som det, vi er ved at udvikle, kan fremskynde overførselshastigheden en milliard gange, hvilket muliggør hurtigere og klarere udforskning af det dybe rum, og hurtigere afsløre universets hemmeligheder. Og en dag kan computere selv køre på lys.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billedkredit: Forfatterens laboratoriums ultrahurtige optiske switch i aktion. Mohammed Hassan, University of Arizona, CC BY-ND

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub