Chiralne bramki logiczne tworzą ultraszybkie procesory danych

Optyczne bramki logiczne oparte na świetle działają znacznie szybciej niż ich elektroniczne odpowiedniki i mogą mieć kluczowe znaczenie dla zaspokojenia stale rosnącego zapotrzebowania na bardziej wydajne i ultraszybkie przetwarzanie i przesyłanie danych. Nowy typ bramki logicznej „chiralności optycznej” opracowany przez naukowców z Uniwersytet Aalto działa około miliona razy szybciej niż istniejące technologie.

Podobnie jak elektrony i cząsteczki, fotony mają tak zwany wewnętrzny stopień swobody, znany jako chiralność (lub ręczność). Chiralność optyczna, definiowana przez lewoskrętne i prawoskrętne światło spolaryzowane kołowo, jest bardzo obiecująca dla podstawowych badań i zastosowań, takich jak technologie kwantowe, chiralna optyka nieliniowa, wykrywanie, obrazowanie i rozwijająca się dziedzina „valleytroniki”.

Nieliniowy materiał optyczny

Nowe urządzenie działa przy użyciu dwóch spolaryzowanych kołowo wiązek światła o różnych długościach fal jako logicznych sygnałów wejściowych (0 lub 1, zgodnie z ich specyficzną chiralnością optyczną). Badacze, kierowani przez Yi Zhang, skierował te wiązki na atomowo cienkie płytki krystalicznego materiału półprzewodnikowego MoS₂ na podłożu z dwutlenku krzemu w masie. MoS₂ jest nieliniowym materiałem optycznym, to znaczy może generować światło o innej częstotliwości niż wiązka wejściowa.

Zhang i współpracownicy zaobserwowali generowanie nowej długości fali (sygnał wyjścia logicznego). Dostosowując chiralność dwóch wiązek wejściowych, możliwe są cztery kombinacje wejściowe – odpowiadające (0,0), (0,1), (1,1) i (1,0). W nieliniowym procesie optycznym wygenerowany sygnał wyjściowy jest uznawany za logiczny 1 lub logiczny 0 na podstawie odpowiednio obecności lub braku tego sygnału wyjściowego.

Reguły selekcji chiralnej

System działa dzięki temu, że materiał krystaliczny jest wrażliwy na chiralność wiązek wejściowych i przestrzega pewnych chiralnych zasad selekcji (związanych z MoS₂ potrójna symetria rotacyjna monowarstwy). Reguły te określają, czy generowany jest nieliniowy sygnał wyjściowy.

Korzystając z tego podejścia, naukowcy byli w stanie stworzyć ultraszybkie (mniej niż 100 fs czas działania) w pełni optyczne bramki logiczne XNOR, NOR, AND, XOR, OR i NAND, a także półsumator.

A to nie wszystko: zespół wykazał również, że jedno urządzenie może zawierać wiele bramek logicznych chiralności działających w tym samym czasie równolegle. To radykalnie różni się od konwencjonalnych optycznych i elektrycznych urządzeń logicznych, które zwykle wykonują jedną operację logiczną na urządzenie, mówi Zhang. Takie równoczesne równoległe bramki logiczne można by wykorzystać do konstruowania złożonych, wielofunkcyjnych obwodów logicznych i sieci.

Bramka logiczna bije rekord prędkości

Bramki logiczne chiralności mogą być również sterowane i konfigurowane elektronicznie w interfejsie elektrooptycznym. „Tradycyjnie połączenie między obliczeniami elektronicznymi i optyczno-fotonicznymi było realizowane głównie poprzez powolną i nieefektywną konwersję optyczno-elektryczną i elektryczno-optyczną”, mówi Zhang Świat Fizyki. „Demonstrujemy elektryczną kontrolę bramek logicznych chiralności, otwierając ekscytującą perspektywę pierwszego i bezpośredniego połączenia między obliczeniami elektrycznymi i optycznymi”.

„Na tej podstawie mamy nadzieję, że w przyszłości możliwe będzie wdrożenie w pełni optycznych metod obliczeniowych” — mówi Zhang.

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Postępy nauki, teraz mają nadzieję na poprawę wydajności swoich bramek logicznych chiralności i zmniejszenie zużycia energii.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/chiral-logic-gates-create-ultrafast-data-processors/