Digitalna prihodnost se lahko zanaša na optična stikala, milijonkrat hitrejša od današnjih tranzistorjev

Digitalna prihodnost se lahko zanaša na optična stikala, milijonkrat hitrejša od današnjih tranzistorjev

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

Če ste si kdaj želeli imeti hitrejši telefon, računalnik ali internetno povezavo, ste naleteli na osebno izkušnjo, ko ste dosegli mejo tehnologije. Toda morda bo pomoč na poti.

V zadnjih nekaj desetletjih so znanstveniki in inženirji kot jaz so si prizadevali za razvoj hitrejših tranzistorjev, elektronskih komponent, ki so osnova sodobnih elektronskih in digitalnih komunikacijskih tehnologij. Ta prizadevanja so temeljila na kategoriji materialov, imenovanih polprevodniki, ki imajo posebne električne lastnosti. Silicij je morda najbolj znan primer te vrste materiala.

Toda pred približno desetletjem so znanstvena prizadevanja dosegla omejitev hitrosti tranzistorjev na osnovi polprevodnikov. Raziskovalci preprosto ne morejo doseči, da bi se elektroni premikali hitreje skozi te materiale. Eden od načinov, kako inženirji poskušajo obravnavati omejitve hitrosti, ki so neločljivo povezane s premikanjem toka skozi silicij, je oblikovanje krajših fizičnih vezij – kar elektronom v bistvu omogoča manjšo razdaljo za potovanje. Povečanje računalniške moči čipa se zmanjša na povečanje števila tranzistorjev. Toda tudi če bi raziskovalcem uspelo doseči, da so tranzistorji zelo majhni, ti ne bodo dovolj hitri za hitrejšo obdelavo in hitrosti prenosa podatkov, ki jih potrebujejo ljudje in podjetja.

My delo raziskovalne skupine želi razviti hitrejše načine za premikanje podatkov z uporabo ultrahitrih laserskih impulzov v prostem prostoru in optičnih vlaken. Laserska svetloba potuje skozi optično vlakno skoraj brez izgub in z zelo nizko stopnjo šuma.

V naši najnovejši študiji, objavljeni februarja 2023 v Znanost Predplačila, smo naredili korak k temu in pokazali, da je to mogoče uporabiti laserski sistemi opremljen z optičnimi tranzistorji, ki so odvisni od fotonov in ne od napetosti za premikanje elektronov in prenos informacij veliko hitreje kot sedanji sistemi – in to bolj učinkovito kot prej poročana optična stikala.

Ultrahitri optični tranzistorji

Na najbolj osnovni ravni digitalni prenosi vključujejo vklop in izklop signala, ki predstavlja enice in ničle. Elektronski tranzistorji uporabljajo napetost za pošiljanje tega signala: Ko napetost povzroči, da elektroni tečejo skozi sistem, signalizirajo 1; ko elektroni ne tečejo, to signalizira 0. To zahteva vir, ki oddaja elektrone, in sprejemnik, ki jih zazna.

Naš sistem ultrahitrega optičnega prenosa podatkov temelji na svetlobi in ne na napetosti. Naša raziskovalna skupina je ena od mnogih, ki se ukvarjajo z optično komunikacijo na ravni tranzistorjev – gradnikov sodobnih procesorjev –, da bi zaobšli trenutne omejitve s silicijem.

Naš sistem nadzoruje odbito svetlobo za prenos informacij. Ko svetloba sveti na kos stekla, večina preide skozenj, čeprav se lahko malo odbije. To je tisto, kar občutite kot bleščanje, ko se vozite proti sončni svetlobi ali gledate skozi okno.

Uporabljamo dva laserska žarka, ki se prenašata iz dveh virov, ki gresta skozi isti kos stekla. En žarek je konstanten, vendar njegov prenos skozi steklo nadzoruje drugi žarek. Z uporabo drugega žarka za premik lastnosti stekla iz prozornega v odbojno lahko začnemo in ustavimo prenos stalnega žarka, pri čemer optični signal zelo hitro preklopimo iz vklopljenega v izklopljenega in nazaj.

S to metodo lahko spremenimo lastnosti stekla veliko hitreje, kot lahko trenutni sistemi pošljejo elektrone. Tako lahko pošljemo veliko več signalov za vklop in izklop – ničle in enice – v krajšem času.

Kako hitro govorimo?

Naša študija je naredila prvi korak k milijonkrat hitrejšemu prenosu podatkov, kot če bi uporabljali običajno elektroniko. Pri elektronih je največja hitrost prenosa podatkov a nanosekundo, milijardo sekunde, kar je zelo hitro. Toda optično stikalo, ki smo ga izdelali, je lahko prenašalo podatke milijonkrat hitreje, kar je trajalo le nekaj sto atosekunde.

Prav tako smo bili sposobni varno prenesti te signale, tako da napadalec, ki bi poskušal prestreči ali spremeniti sporočila, ne bi uspel ali bi bil odkrit.

Uporaba laserskega žarka za prenašanje signala in prilagajanje jakosti njegovega signala s steklom, ki ga nadzira drug laserski žarek, pomeni, da lahko informacije potujejo ne le hitreje, temveč tudi na veliko večje razdalje.

Na primer, vesoljski teleskop James Webb je pred kratkim oddal osupljive slike iz daleč v vesolje. Te slike so bile prenesene kot podatki s teleskopa na bazno postajo na Zemlji s hitrostjo enega "vklop" ali "izklop" vsakih 35 nanosekund uporabo optičnih komunikacij.

Laserski sistem, kot je ta, ki ga razvijamo, bi lahko milijardkrat pospešil hitrost prenosa, kar bi omogočilo hitrejše in jasnejše raziskovanje globokega vesolja ter hitreje razkrilo skrivnosti vesolja. In nekega dne bodo računalniki sami lahko delovali na svetlobi.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Avtorstvo slike: Ultrahitro optično stikalo avtorjevega laboratorija v akciji. Mohammed Hassan, Univerza v Arizoni, CC BY-ND

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti