Il futuro digitale può contare su interruttori ottici un milione di volte più veloci dei transistor odierni

Se hai mai desiderato di avere un telefono, un computer o una connessione Internet più veloce, hai incontrato l'esperienza personale di raggiungere un limite della tecnologia. Ma potrebbe esserci un aiuto in arrivo.

Negli ultimi decenni, scienziati e ingegneri come me hanno lavorato per sviluppare transistor più veloci, i componenti elettronici alla base delle moderne tecnologie di comunicazione elettronica e digitale. Questi sforzi si sono basati su una categoria di materiali chiamati semiconduttori che hanno speciali proprietà elettriche. Silicio è forse l'esempio più noto di questo tipo di materiale.

Ma circa un decennio fa, gli sforzi scientifici hanno raggiunto il limite di velocità dei transistor basati su semiconduttori. I ricercatori semplicemente non possono far muovere gli elettroni più velocemente attraverso questi materiali. Un modo in cui gli ingegneri stanno cercando di affrontare i limiti di velocità inerenti allo spostamento di una corrente attraverso il silicio è progettare circuiti fisici più corti, essenzialmente dando agli elettroni una distanza minore per viaggiare. L'aumento della potenza di calcolo di un chip si riduce all'aumento del numero di transistor. Tuttavia, anche se i ricercatori riuscissero a ottenere transistor molto piccoli, non sarebbero abbastanza veloci per l'elaborazione più rapida e le velocità di trasferimento dei dati di cui le persone e le aziende avranno bisogno.

My lavoro del gruppo di ricerca mira a sviluppare modi più veloci per spostare i dati, utilizzando impulsi laser ultraveloci nello spazio libero e in fibra ottica. La luce laser viaggia attraverso la fibra ottica quasi senza perdite e con un livello di rumore molto basso.

Nel nostro studio più recente, pubblicato nel febbraio 2023 in Anticipi Scienza, abbiamo fatto un passo in questa direzione, dimostrando che è possibile utilizzare sistemi basati su laser dotati di transistor ottici, che dipendono dai fotoni piuttosto che dalla tensione per spostare gli elettroni e per trasferire le informazioni molto più rapidamente rispetto ai sistemi attuali, e lo fanno in modo più efficace rispetto interruttori ottici precedentemente segnalati.

Transistor ottici ultraveloci

Al loro livello più fondamentale, le trasmissioni digitali comportano l'accensione e lo spegnimento di un segnale per rappresentare uno e zero. I transistor elettronici usano la tensione per inviare questo segnale: quando la tensione induce gli elettroni a fluire attraverso il sistema, segnalano un 1; quando non ci sono elettroni che scorrono, questo segnala uno 0. Ciò richiede una sorgente per emettere gli elettroni e un ricevitore per rilevarli.

Il nostro sistema di trasmissione dati ottica ultraveloce si basa sulla luce piuttosto che sulla tensione. Il nostro gruppo di ricerca è uno dei tanti che lavorano con la comunicazione ottica a livello di transistor, gli elementi costitutivi dei moderni processori, per aggirare le attuali limitazioni del silicio.

Il nostro sistema controlla la luce riflessa per trasmettere informazioni. Quando la luce colpisce un pezzo di vetro, la maggior parte passa attraverso, anche se un po' potrebbe riflettersi. Questo è ciò che provi come abbagliamento quando guidi verso la luce del sole o guardi attraverso una finestra.

Utilizziamo due raggi laser trasmessi da due sorgenti che passano attraverso lo stesso pezzo di vetro. Un raggio è costante, ma la sua trasmissione attraverso il vetro è controllata dal secondo raggio. Utilizzando il secondo raggio per spostare le proprietà del vetro da trasparente a riflettente, possiamo avviare e arrestare la trasmissione del raggio costante, commutando molto rapidamente il segnale ottico da acceso a spento e viceversa.

Con questo metodo, possiamo cambiare le proprietà del vetro molto più rapidamente di quanto i sistemi attuali possano inviare elettroni. Quindi possiamo inviare molti più segnali di attivazione e disattivazione, zeri e uno, in meno tempo.

Quanto velocemente stiamo parlando?

Il nostro studio ha fatto il primo passo per trasmettere i dati 1 milione di volte più velocemente che se avessimo utilizzato l'elettronica tipica. Con gli elettroni, la velocità massima per la trasmissione dei dati è a nanosecondi, un miliardesimo di secondo, che è molto veloce. Ma l'interruttore ottico che abbiamo costruito è stato in grado di trasmettere i dati un milione di volte più velocemente, il che ha richiesto solo poche centinaia attosecondi.

Siamo stati anche in grado di trasmettere quei segnali in modo sicuro in modo che un utente malintenzionato che tentasse di intercettare o modificare i messaggi fallisse o venisse rilevato.

L'utilizzo di un raggio laser per trasportare un segnale e la regolazione dell'intensità del segnale con un vetro controllato da un altro raggio laser consente alle informazioni di viaggiare non solo più rapidamente, ma anche a distanze molto maggiori.

Ad esempio, il telescopio spaziale James Webb ha recentemente trasmesso immagini mozzafiato da molto lontano nello spazio. Queste immagini sono state trasferite come dati dal telescopio alla stazione base sulla Terra al ritmo di uno "on" o "off" ogni 35 nanosecondi utilizzando comunicazioni ottiche.

Un sistema laser come quello che stiamo sviluppando potrebbe accelerare la velocità di trasferimento di un miliardo di volte, consentendo un'esplorazione più rapida e chiara dello spazio profondo, rivelando più rapidamente i segreti dell'universo. E un giorno i computer stessi potrebbero funzionare con la luce.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: l'interruttore ottico ultraveloce del laboratorio dell'autore in azione. Mohammed Hassan, Università dell'Arizona, CC BY-ND

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/07/24/the-digital-future-may-rely-on-optical-switches-a-million-times-faster-than-todays-transistors/