De digitale toekomst kan afhankelijk zijn van optische schakelaars die een miljoen keer sneller zijn dan de huidige transistors

De digitale toekomst kan vertrouwen op optische schakelaars die een miljoen keer sneller zijn dan de huidige transistors

Tijdstempel: 24 juli 2023 3:39 uur
De digitale toekomst kan afhankelijk zijn van optische schakelaars die een miljoen keer sneller zijn dan de huidige transistors PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Als je ooit hebt gewenst dat je een snellere telefoon, computer of internetverbinding had, heb je de persoonlijke ervaring ondervonden dat je een grens van technologie bereikt. Maar misschien is er onderweg hulp.

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers en ingenieurs zoals ik hebben gewerkt aan de ontwikkeling van snellere transistors, de elektronische componenten die ten grondslag liggen aan moderne elektronische en digitale communicatietechnologieën. Deze inspanningen zijn gebaseerd op een categorie materialen die halfgeleiders worden genoemd en die speciale elektrische eigenschappen hebben. Silicium is misschien wel het bekendste voorbeeld van dit soort materiaal.

Maar ongeveer tien jaar geleden bereikten wetenschappelijke inspanningen de snelheidslimiet van op halfgeleiders gebaseerde transistors. Onderzoekers kunnen elektronen simpelweg niet sneller door deze materialen laten bewegen. Unidirectionele ingenieurs proberen de snelheidslimieten aan te pakken die inherent zijn aan het verplaatsen van een stroom door silicium, door kortere fysieke circuits te ontwerpen, waardoor elektronen in wezen minder afstand kunnen afleggen. Het vergroten van de rekenkracht van een chip komt neer op het vergroten van het aantal transistors. Maar zelfs als onderzoekers transistors heel klein kunnen maken, zullen ze niet snel genoeg zijn voor de hogere verwerkings- en gegevensoverdrachtssnelheden die mensen en bedrijven nodig hebben.

My het werk van de onderzoeksgroep heeft tot doel snellere manieren te ontwikkelen om gegevens te verplaatsen, met behulp van ultrasnelle laserpulsen in de vrije ruimte en glasvezel. Het laserlicht gaat bijna verliesvrij en met een zeer laag ruisniveau door optische vezels.

In onze meest recente studie, gepubliceerd in februari 2023 in Wetenschap Advances, hebben we een stap in de richting gezet door aan te tonen dat het mogelijk is om te gebruiken op laser gebaseerde systemen uitgerust met optische transistors, die afhankelijk zijn van fotonen in plaats van spanning om elektronen te verplaatsen, en om informatie veel sneller over te dragen dan de huidige systemen - en doen dit effectiever dan eerder gemelde optische schakelaars.

Ultrasnelle optische transistoren

Op hun meest fundamentele niveau omvatten digitale transmissies een signaal dat in- en uitgeschakeld wordt om enen en nullen weer te geven. Elektronische transistors gebruiken spanning om dit signaal te verzenden: wanneer de spanning de elektronen ertoe aanzet om door het systeem te stromen, signaleren ze een 1; wanneer er geen elektronen stromen, signaleert dat een 0. Dit vereist een bron om de elektronen uit te zenden en een ontvanger om ze te detecteren.

Ons systeem van ultrasnelle optische datatransmissie is gebaseerd op licht in plaats van spanning. Onze onderzoeksgroep is een van de velen die werken met optische communicatie op transistorniveau - de bouwstenen van moderne processors - om de huidige beperkingen met silicium te omzeilen.

Ons systeem regelt gereflecteerd licht om informatie door te geven. Wanneer licht op een stuk glas schijnt, gaat het meeste er doorheen, hoewel een klein beetje kan reflecteren. Dat is wat je als verblinding ervaart als je richting zonlicht rijdt of door een raam kijkt.

We gebruiken twee laserstralen die door twee bronnen worden uitgezonden en door hetzelfde stuk glas gaan. Eén straal is constant, maar de transmissie door het glas wordt geregeld door de tweede straal. Door de tweede straal te gebruiken om de eigenschappen van het glas te verschuiven van transparant naar reflecterend, kunnen we de transmissie van de constante straal starten en stoppen, waardoor het optische signaal zeer snel van aan naar uit en weer terug kan worden geschakeld.

Met deze methode kunnen we de glaseigenschappen veel sneller schakelen dan de huidige systemen elektronen kunnen sturen. We kunnen dus veel meer aan- en uitsignalen - nullen en enen - in minder tijd verzenden.

Hoe snel praten we?

Onze studie zette de eerste stap om gegevens 1 miljoen keer sneller te verzenden dan wanneer we de typische elektronica hadden gebruikt. Met elektronen is de maximale snelheid voor het verzenden van gegevens een nanoseconde, een miljardste van een seconde, wat erg snel is. Maar de optische schakelaar die we hebben gebouwd, kon gegevens een miljoen keer sneller verzenden, wat slechts een paar honderd keer kostte attoseconden.

We waren ook in staat om die signalen veilig te verzenden, zodat een aanvaller die probeerde de berichten te onderscheppen of aan te passen, zou mislukken of gedetecteerd zou worden.

Door een laserstraal te gebruiken om een ​​signaal over te dragen en de signaalintensiteit aan te passen met glas dat wordt bestuurd door een andere laserstraal, kan de informatie niet alleen sneller maar ook veel grotere afstanden afleggen.

Zo heeft de James Webb Space Telescope onlangs uitgezonden verbluffende beelden van ver in de ruimte. Deze foto's werden als gegevens van de telescoop naar het basisstation op aarde overgebracht met een snelheid van één "aan" of "uit". elke 35 nanoseconden optische communicatie gebruiken.

Een lasersysteem zoals het systeem dat we aan het ontwikkelen zijn, zou de overdrachtssnelheid een miljard keer kunnen versnellen, waardoor een snellere en duidelijkere verkenning van de diepe ruimte mogelijk wordt, waardoor de geheimen van het universum sneller worden onthuld. En ooit zouden computers zelf op licht kunnen draaien.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Image Credit: de ultrasnelle optische schakelaar van de auteur in actie. Mohammed Hassan, Universiteit van Arizona, CC BY-SA

Tijdstempel:

Meer van Hub voor singulariteit