L'avenir numérique peut reposer sur des commutateurs optiques un million de fois plus rapides que les transistors d'aujourd'hui

L'avenir numérique peut reposer sur des commutateurs optiques un million de fois plus rapides que les transistors d'aujourd'hui

Horodatage: 24 juillet 2023 3h39
The Digital Future May Rely on Optical Switches a Million Times Faster Than Today's Transistors PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Si vous avez déjà souhaité avoir un téléphone, un ordinateur ou une connexion Internet plus rapide, vous avez rencontré l'expérience personnelle d'atteindre une limite de la technologie. Mais il pourrait y avoir de l'aide sur le chemin.

Au cours des dernières décennies, scientifiques et ingénieurs comme moi ont travaillé pour développer des transistors plus rapides, les composants électroniques sous-jacents aux technologies modernes de communications électroniques et numériques. Ces efforts ont été basés sur une catégorie de matériaux appelés semi-conducteurs qui ont des propriétés électriques particulières. Silicium est peut-être l'exemple le plus connu de ce type de matériau.

Mais il y a environ une décennie, les efforts scientifiques ont atteint la limite de vitesse des transistors à base de semi-conducteurs. Les chercheurs ne peuvent tout simplement pas accélérer le déplacement des électrons à travers ces matériaux. L'une des façons dont les ingénieurs tentent de résoudre les limites de vitesse inhérentes au déplacement d'un courant à travers le silicium consiste à concevoir des circuits physiques plus courts, ce qui donne essentiellement aux électrons moins de distance à parcourir. Augmenter la puissance de calcul d'une puce revient à augmenter le nombre de transistors. Cependant, même si les chercheurs parviennent à obtenir des transistors très petits, ils ne seront pas assez rapides pour les vitesses de traitement et de transfert de données plus rapides dont les gens et les entreprises auront besoin.

My travaux du groupe de recherche vise à développer des moyens plus rapides de déplacer des données, en utilisant des impulsions laser ultrarapides dans l'espace libre et la fibre optique. La lumière laser traverse la fibre optique presque sans perte et avec un très faible niveau de bruit.

Dans notre étude la plus récente, publiée en février 2023 dans Science Advances, nous avons fait un pas vers cela, démontrant qu'il est possible d'utiliser systèmes à base de laser équipés de transistors optiques, qui dépendent des photons plutôt que de la tension pour déplacer les électrons, et pour transférer les informations beaucoup plus rapidement que les systèmes actuels - et le font plus efficacement que commutateurs optiques rapportés précédemment.

Transistors optiques ultrarapides

À leur niveau le plus fondamental, les transmissions numériques impliquent un signal qui s'allume et s'éteint pour représenter des uns et des zéros. Les transistors électroniques utilisent la tension pour envoyer ce signal : lorsque la tension incite les électrons à traverser le système, ils signalent un 1 ; lorsqu'il n'y a pas d'électrons qui circulent, cela signale un 0. Cela nécessite une source pour émettre les électrons et un récepteur pour les détecter.

Notre système de transmission de données optique ultra-rapide est basé sur la lumière plutôt que sur la tension. Notre groupe de recherche est l'un des nombreux à travailler avec la communication optique au niveau des transistors - les éléments constitutifs des processeurs modernes - pour contourner les limitations actuelles du silicium.

Notre système contrôle la lumière réfléchie pour transmettre des informations. Lorsque la lumière brille sur un morceau de verre, la plus grande partie passe à travers, bien qu'une petite partie puisse se refléter. C'est ce que vous ressentez comme un éblouissement lorsque vous conduisez vers la lumière du soleil ou que vous regardez à travers une fenêtre.

Nous utilisons deux faisceaux laser transmis par deux sources traversant le même morceau de verre. Un faisceau est constant, mais sa transmission à travers le verre est contrôlée par le second faisceau. En utilisant le deuxième faisceau pour déplacer les propriétés du verre de transparent à réfléchissant, nous pouvons démarrer et arrêter la transmission du faisceau constant, commutant le signal optique de marche à arrêt et inversement très rapidement.

Avec cette méthode, nous pouvons changer les propriétés du verre beaucoup plus rapidement que les systèmes actuels ne peuvent envoyer d'électrons. Nous pouvons donc envoyer beaucoup plus de signaux d'activation et de désactivation - des zéros et des uns - en moins de temps.

À quelle vitesse parlons-nous ?

Notre étude a fait le premier pas pour transmettre des données 1 million de fois plus rapidement que si nous avions utilisé l'électronique typique. Avec les électrons, la vitesse maximale de transmission des données est de nanoseconde, un milliardième de seconde, ce qui est très rapide. Mais le commutateur optique que nous avons construit était capable de transmettre des données un million de fois plus rapidement, ce qui ne prenait que quelques centaines attosecondes.

Nous avons également pu transmettre ces signaux de manière sécurisée afin qu'un attaquant qui tentait d'intercepter ou de modifier les messages échoue ou soit détecté.

L'utilisation d'un faisceau laser pour transporter un signal et l'ajustement de son intensité de signal avec du verre contrôlé par un autre faisceau laser signifie que l'information peut voyager non seulement plus rapidement mais aussi sur des distances beaucoup plus grandes.

Par exemple, le télescope spatial James Webb a récemment transmis de superbes images de loin dans l'espace. Ces images ont été transférées sous forme de données du télescope à la station de base sur Terre à un taux de un "on" ou "off" toutes les 35 nanosecondes utilisant les communications optiques.

Un système laser comme celui que nous développons pourrait accélérer le taux de transfert d'un milliard de fois, permettant une exploration plus rapide et plus claire de l'espace lointain, révélant plus rapidement les secrets de l'univers. Et un jour, les ordinateurs eux-mêmes pourraient fonctionner à la lumière.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit d'image : Le commutateur optique ultrarapide du laboratoire de l'auteur en action. Mohammed Hassan, Université de l'Arizona, CC BY-ND

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