Cyfrowa przyszłość może polegać na przełącznikach optycznych milion razy szybszych niż dzisiejsze tranzystory

Cyfrowa przyszłość może polegać na przełącznikach optycznych milion razy szybszych niż dzisiejsze tranzystory

Znacznik czasu: 24 lipca 2023 3:39
Cyfrowa przyszłość może polegać na przełącznikach optycznych milion razy szybszych niż dzisiejsze tranzystory PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Jeśli kiedykolwiek chciałeś mieć szybszy telefon, komputer lub połączenie z Internetem, napotkałeś osobiste doświadczenie przekroczenia limitu technologii. Ale po drodze może być pomoc.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat naukowcy i inżynierowie jak ja pracowali nad opracowaniem szybszych tranzystorów, komponentów elektronicznych leżących u podstaw nowoczesnych elektronicznych i cyfrowych technologii komunikacyjnych. Wysiłki te opierały się na kategorii materiałów zwanych półprzewodnikami, które mają specjalne właściwości elektryczne. Krzem jest chyba najbardziej znanym przykładem tego typu materiału.

Ale mniej więcej dziesięć lat temu wysiłki naukowe osiągnęły limit prędkości tranzystorów półprzewodnikowych. Naukowcy po prostu nie mogą sprawić, by elektrony poruszały się szybciej w tych materiałach. Jednym ze sposobów, w jaki inżynierowie próbują zająć się ograniczeniami prędkości związanymi z przepływem prądu przez krzem, jest zaprojektowanie krótszych obwodów fizycznych - zasadniczo dając elektronom mniejszą odległość do przebycia. Zwiększenie mocy obliczeniowej chipa sprowadza się do zwiększenia liczby tranzystorów. Jednak nawet jeśli naukowcom uda się uzyskać bardzo małe tranzystory, nie będą one wystarczająco szybkie, aby zapewnić szybsze przetwarzanie i przesyłanie danych, których ludzie i firmy będą potrzebować.

My prace grupy badawczej ma na celu opracowanie szybszych sposobów przenoszenia danych przy użyciu ultraszybkich impulsów laserowych w wolnej przestrzeni i światłowodów. Światło lasera przechodzi przez światłowód prawie bez strat i przy bardzo niskim poziomie szumów.

W naszym najnowszym badaniu, opublikowanym w lutym 2023 r Postępy nauki, zrobiliśmy krok w tym kierunku, pokazując, że jest to możliwe systemy laserowe wyposażone w tranzystory optyczne, których przemieszczanie elektronów zależy od fotonów, a nie od napięcia, oraz przesyłanie informacji znacznie szybciej niż obecne systemy — i robią to bardziej efektywnie niż wcześniej zgłaszane przełączniki optyczne.

Ultraszybkie tranzystory optyczne

Na najbardziej podstawowym poziomie transmisje cyfrowe obejmują włączanie i wyłączanie sygnału w celu przedstawienia jedynek i zer. Tranzystory elektroniczne wykorzystują napięcie do wysyłania tego sygnału: Kiedy napięcie indukuje przepływ elektronów przez układ, sygnalizują one 1; gdy nie ma przepływających elektronów, sygnalizuje to 0. Wymaga to źródła emitującego elektrony i odbiornika do ich wykrywania.

Nasz system ultraszybkiej optycznej transmisji danych oparty jest na świetle, a nie na napięciu. Nasza grupa badawcza jest jedną z wielu, które pracują nad komunikacją optyczną na poziomie tranzystora – elementów składowych nowoczesnych procesorów – aby obejść obecne ograniczenia za pomocą krzemu.

Nasz system kontroluje światło odbite w celu przesyłania informacji. Kiedy światło pada na kawałek szkła, większość przechodzi przez nie, chociaż niewielka część może się odbijać. To jest to, czego doświadczasz jako odblask, jadąc w stronę światła słonecznego lub patrząc przez okno.

Używamy dwóch wiązek laserowych transmitowanych z dwóch źródeł przechodzących przez ten sam kawałek szkła. Jedna wiązka jest stała, ale jej transmisja przez szkło jest kontrolowana przez drugą wiązkę. Wykorzystując drugą wiązkę do zmiany właściwości szkła z przezroczystego na odblaskowe, możemy rozpocząć i zatrzymać transmisję stałej wiązki, bardzo szybko przełączając sygnał optyczny z włączania na wyłączanie iz powrotem.

Dzięki tej metodzie możemy zmieniać właściwości szkła znacznie szybciej niż obecne systemy mogą wysyłać elektrony. Dzięki temu możemy wysyłać znacznie więcej sygnałów włączania i wyłączania — zer i jedynek — w krótszym czasie.

Jak szybko rozmawiamy?

Nasze badanie zrobiło pierwszy krok w kierunku przesyłania danych milion razy szybciej, niż gdybyśmy używali typowej elektroniki. W przypadku elektronów maksymalna prędkość przesyłania danych wynosi a nanosekunda, jedna miliardowa sekundy, czyli bardzo szybko. Ale skonstruowany przez nas przełącznik optyczny był w stanie przesyłać dane milion razy szybciej, co zajęło zaledwie kilkaset attosekundy.

Byliśmy również w stanie bezpiecznie przesyłać te sygnały, aby osoba atakująca, która próbowała przechwycić lub zmodyfikować wiadomości, nie powiodła się lub została wykryta.

Wykorzystanie wiązki laserowej do przenoszenia sygnału i dostosowanie jej intensywności za pomocą szkła sterowanego inną wiązką laserową oznacza, że ​​informacja może przemieszczać się nie tylko szybciej, ale także na znacznie większe odległości.

Na przykład ostatnio transmitowany Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wspaniałe obrazy z dalekiej przestrzeni. Te zdjęcia zostały przesłane jako dane z teleskopu do stacji bazowej na Ziemi z szybkością jednego „włączenia” lub „wyłączenia” co 35 nanosekund za pomocą łączności optycznej.

System laserowy, taki jak ten, nad którym pracujemy, mógłby przyspieszyć transfer miliard razy, umożliwiając szybszą i wyraźniejszą eksplorację głębokiego kosmosu, szybciej odkrywając tajemnice wszechświata. A pewnego dnia same komputery mogą działać na świetle.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Źródło zdjęcia: ultraszybki przełącznik optyczny laboratorium autora w akcji. Mohammeda Hassana z Uniwersytetu Arizony, CC BY-ND

Znak czasu:

Więcej z Centrum osobliwości