Цифрове майбутнє може покладатися на оптичні комутатори, у мільйон разів швидші за сучасні транзистори

Якщо ви коли-небудь бажали мати швидший телефон, комп’ютер або підключення до Інтернету, ви стикалися з особистим досвідом досягнення межі технологій. Але на шляху може бути допомога.

За останні кілька десятиліть вчені та інженери як я працювали над розробкою швидших транзисторів, електронних компонентів, що лежать в основі сучасних електронних і цифрових комунікаційних технологій. Ці зусилля були засновані на категорії матеріалів, які називаються напівпровідниками, які мають особливі електричні властивості. Кремній є, мабуть, найвідомішим прикладом такого типу матеріалу.

Але приблизно десять років тому наукові зусилля досягли обмеження швидкості напівпровідникових транзисторів. Дослідники просто не можуть змусити електрони рухатися швидше через ці матеріали. Один із способів, яким інженери намагаються вирішити обмеження швидкості, властиві переміщенню струму через кремній, полягає в розробці коротших фізичних кіл, що, по суті, дасть електронам меншу відстань для проходження. Підвищення обчислювальної потужності чіпа зводиться до збільшення кількості транзисторів. Однак, навіть якщо дослідники зможуть зробити транзистори дуже маленькими, вони не будуть достатньо швидкими для швидшої обробки та швидкості передачі даних, які знадобляться людям і підприємствам.

My робота дослідницької групи спрямована на розробку швидших способів переміщення даних за допомогою надшвидких лазерних імпульсів у вільному просторі та оптичного волокна. Лазерне світло проходить через оптичне волокно майже без втрат і з дуже низьким рівнем шуму.

У нашому останньому дослідженні, опублікованому в лютому 2023 року в Наука розвивається, ми зробили крок до цього, продемонструвавши, що це можливо використовувати лазерні системи оснащені оптичними транзисторами, які залежать від фотонів, а не від напруги, щоб рухати електрони та передавати інформацію набагато швидше, ніж сучасні системи, і роблять це ефективніше, ніж раніше повідомлялося про оптичні перемикачі.

Надшвидкісні оптичні транзистори

На найфундаментальнішому рівні цифрові передачі включають вмикання та вимикання сигналу для представлення одиниць і нулів. Електронні транзистори використовують напругу для надсилання цього сигналу: коли напруга спонукає електрони протікати через систему, вони сигналізують 1; коли немає електронів, це сигналізує про 0. Для цього потрібне джерело, яке випромінює електрони, і приймач, щоб їх виявити.

Наша система надшвидкої оптичної передачі даних заснована на світлі, а не на напрузі. Наша дослідницька група є однією з багатьох, хто працює з оптичним зв’язком на рівні транзисторів — будівельних блоків сучасних процесорів — щоб обійти поточні обмеження за допомогою кремнію.

Наша система контролює відбите світло для передачі інформації. Коли світло потрапляє на шматок скла, більша його частина проходить крізь нього, хоча трохи може відбиватися. Це те, що ви відчуваєте як відблиски, коли їдете в напрямку сонячного світла або дивитесь у вікно.

Ми використовуємо два лазерні промені, що передаються від двох джерел, що проходять через один і той самий шматок скла. Один промінь постійний, але його пропускання через скло контролюється другим променем. Використовуючи другий промінь для зміни властивостей скла з прозорих на відбивні, ми можемо запускати та зупиняти передачу постійного променя, дуже швидко перемикаючи оптичний сигнал з увімкнення на вимикання та назад.

За допомогою цього методу ми можемо змінити властивості скла набагато швидше, ніж поточні системи можуть посилати електрони. Тож ми можемо надсилати набагато більше сигналів увімкнення та вимкнення — нулів і одиниць — за менший час.

Як швидко ми говоримо?

Наше дослідження зробило перший крок до передачі даних у 1 мільйон разів швидше, ніж якби ми використовували типову електроніку. Для електронів максимальна швидкість передачі даних становить a наносекунда, одна мільярдна секунди, що дуже швидко. Але оптичний комутатор, який ми побудували, міг передавати дані в мільйон разів швидше, на що знадобилося лише кілька сотень аттосекунди.

Ми також змогли безпечно передавати ці сигнали, щоб зловмисник, який намагався перехопити або змінити повідомлення, не міг або був виявлений.

Використання лазерного променя для передачі сигналу та регулювання інтенсивності його сигналу за допомогою скла, керованого іншим лазерним променем, означає, що інформація може поширюватися не тільки швидше, але й на набагато більші відстані.

Наприклад, космічний телескоп Джеймса Вебба нещодавно передав приголомшливі зображення з далекого космосу. Ці зображення були передані як дані з телескопа на базову станцію на Землі зі швидкістю один «увімкнено» або «вимкнено». кожні 35 наносекунд за допомогою оптичного зв'язку.

Лазерна система, подібна до тієї, яку ми розробляємо, могла б пришвидшити швидкість передачі інформації в мільярд разів, дозволяючи швидше й чіткіше досліджувати глибокий космос, швидше відкриваючи таємниці Всесвіту. І колись самі комп’ютери можуть працювати на світлі.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Автор зображення: надшвидкий оптичний перемикач лабораторії автора в дії. Мохаммед Хасан, Університет Арізони, CC BY-ND

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/07/24/the-digital-future-may-rely-on-optical-switches-a-million-times-faster-than-todays-transistors/