Digitaalne tulevik võib tugineda optilistele lülititele miljon korda kiiremini kui tänapäeva transistorid

Digitaalne tulevik võib tugineda optilistele lülititele miljon korda kiiremini kui tänapäeva transistorid

Ajatempel: 24. juuli 2023 3:39
Digitaalne tulevik võib toetuda optilistele lülititele miljoneid kordi kiiremini kui tänapäevased transistorid PlatoBlockchain andmeluure. Vertikaalne otsing. Ai.

Kui olete kunagi soovinud, et teil oleks kiirem telefon, arvuti või Interneti-ühendus, olete kohanud isiklikku kogemust tehnoloogia piiride saavutamisel. Kuid teel võib abi olla.

Viimase paarikümne aasta jooksul teadlased ja insenerid nagu mina on töötanud kiiremate transistoride, kaasaegsete elektrooniliste ja digitaalsete sidetehnoloogiate aluseks olevate elektrooniliste komponentide väljatöötamise nimel. Need jõupingutused põhinevad materjalide kategoorial, mida nimetatakse pooljuhtideks ja millel on erilised elektrilised omadused. Räni on võib-olla seda tüüpi materjalide tuntuim näide.

Kuid kümmekond aastat tagasi jõudsid teaduslikud jõupingutused pooljuhttransistoride kiiruspiiranguni. Teadlased lihtsalt ei suuda panna elektrone nende materjalide kaudu kiiremini liikuma. Üks viis, kuidas insenerid püüavad käsitleda räni voolu liikumisele omaseid kiiruspiiranguid, on kavandada lühemaid füüsilisi ahelaid, mis annab elektronidele sisuliselt vähem vahemaad. Kiibi arvutusvõimsuse suurendamine taandub transistoride arvu suurendamisele. Kuid isegi kui teadlased suudavad muuta transistorid väga väikesteks, ei ole need inimeste ja ettevõtete jaoks vajaliku kiirema töötlemise ja andmeedastuskiiruse jaoks piisavalt kiired.

My uurimisrühma tööd eesmärk on välja töötada kiiremaid viise andmete teisaldamiseks, kasutades ülikiireid laserimpulsse vabas ruumis ja optilist kiudu. Laservalgus liigub läbi optilise kiu peaaegu ilma kadudeta ja väga madala müratasemega.

Meie viimases uuringus, mis avaldati 2023. aasta veebruaris Teadus ettemaksed, astusime sammu selle poole, näidates, et seda on võimalik kasutada laseripõhised süsteemid varustatud optiliste transistoridega, mis sõltuvad elektronide liigutamiseks pigem footonitest kui pingest ja edastavad teavet palju kiiremini kui praegused süsteemid – ja teevad seda tõhusamalt kui varem teatatud optilised lülitid.

Ultrakiired optilised transistorid

Kõige fundamentaalsemal tasemel hõlmab digitaalne edastus signaali sisse- ja väljalülitamist, et tähistada ühesid ja nulle. Elektroonilised transistorid kasutavad selle signaali saatmiseks pinget: kui pinge indutseerib elektronid süsteemist läbi voolama, annavad nad signaali 1; kui elektrone ei voola, annab see signaali 0. Selleks on vaja allikat elektronide kiirgamiseks ja vastuvõtjat nende tuvastamiseks.

Meie ülikiire optilise andmeedastuse süsteem põhineb pigem valgusel kui pingel. Meie uurimisrühm on üks paljudest, kes töötab optilise sidega transistori tasemel – tänapäevaste protsessorite ehitusplokid –, et räniga praegustest piirangutest mööda saada.

Meie süsteem juhib teabe edastamiseks peegeldunud valgust. Kui valgus paistab klaasitükile, läheb suurem osa sellest läbi, kuigi veidi võib peegelduda. Seda kogete päikesevalguse poole sõites või läbi akna vaadates pimestamisena.

Kasutame kahte laserkiirt, mis edastatakse kahest allikast, mis läbivad sama klaasi. Üks kiir on konstantne, kuid selle läbimist läbi klaasi juhib teine ​​kiir. Kasutades teist kiirt klaasi omaduste nihutamiseks läbipaistvast peegeldavale, saame käivitada ja peatada pideva kiire edastamise, lülitades optilise signaali väga kiiresti sisse-välja ja tagasi.

Selle meetodi abil saame muuta klaasi omadusi palju kiiremini, kui praegused süsteemid suudavad elektrone saata. Nii saame lühema ajaga saata palju rohkem sisse- ja väljalülitussignaale – nulle ja ühtesid.

Kui kiiresti me räägime?

Meie uuring astus esimese sammu andmete edastamiseks miljon korda kiiremini, kui oleksime kasutanud tavalist elektroonikat. Elektronide puhul on andmete edastamise maksimaalne kiirus a nanosekund, üks miljardik sekundit, mis on väga kiire. Kuid meie ehitatud optiline lüliti suutis andmeid miljon korda kiiremini edastada, mis võttis vaid paarsada attosekundeid.

Samuti suutsime need signaalid turvaliselt edastada, nii et ründaja, kes üritas sõnumeid pealt kuulata või muuta, ebaõnnestub või tuvastatakse.

Laserkiire kasutamine signaali edastamiseks ja selle signaali intensiivsuse reguleerimine klaasiga, mida juhib mõni muu laserkiir, tähendab, et teave ei jõua mitte ainult kiiremini, vaid ka palju kaugemale.

Näiteks edastas hiljuti James Webbi kosmoseteleskoop vapustavad pildid kaugelt kosmosest. Need pildid edastati andmetena teleskoobist Maa tugijaama kiirusega üks "sees" või "väljas". iga 35 nanosekundi järel kasutades optilist sidet.

Selline lasersüsteem, nagu see, mida me arendame, võib kiirendada edastuskiirust miljard korda, võimaldades süvakosmose kiiremat ja selgemat uurimist, paljastades kiiremini universumi saladused. Ja ühel päeval võivad arvutid ise valgusega töötada.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Pildi krediit: autori labori ülikiire optiline lüliti töötab. Mohammed Hassan, Arizona ülikool, CC BY-ND

Ajatempel:

Veel alates Singulaarsuse keskus