Фотонный чип будущего: как ученые смогли превратить свет в звук

Впервые в истории ученым удалось перевести световое излучение в звуковые волны на базе крошечного микрочипа. Исследователи уверены, что их новое изобретение является большим шагом для создания вычислительной техники следующего поколения — фотонных компьютеров, которые в будущем станут доступны каждому.
Фотонный чип будущего: как ученые смогли превратить свет в звук

В понедельник команда австралийских ученых объявила об очередном прорыве в сфере современных технологий: впервые в истории исследователям удалось превратить световое излучение в звуковые волны на базе микрочипа. И пока скептики твердят о том, что это очередные псевдовысокие технологии, недоступные для рядового потребителя, мы с вами попытаемся понять, что же означает «превратить свет в звук» и то, какие перспективы это открывает вычислительной технике будущего.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Зачем превращать свет в звук

Чтобы оценить всю важность новой работы, напомним, что существует множество ученых, посвятивших жизнь задаче, которая на первый взгляд выглядит весьма странно: они хотят заставить частицы света, фотоны, выполнять ту же работу внутри вычислительных систем, что и обычные электроны. В случае успеха компьютер сможет работать с потреблением куда меньшего количества энергии и нагреваться на порядок меньше, при этом используя весь потенциал оптоволоконных кабелей. Одна проблема — фотоны очень, очень быстрые частицы, и их необходимо каким-то образом замедлить.

К счастью, если обратиться к теории корпускулярно-волнового дуализма, то окажется, что свет может вести себя как волна и в этом свойстве очень похож на волны звуковые. В первом случае это будет волна в форме излучения, которое может проходить сквозь вакуум (звуковые волны в вакууме не распространяются), а во втором — просто колебательные волны, движущиеся сквозь среду, состоящую из частиц. Обе эти волны обладают характеристиками амплитуды (показывающей их силу) и длины волны (показывающей расстояние между волновыми пиками). Даже в научных терминах есть определенное сходство: наименьшая единица светового излучения — фотон, наименьшая единица звуковой вибрации — фонон.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как это устроено

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Принцип работы первого в мире светодиодного конверсионного чипа опирается на принцип бриллюэновского рассеяния. Говоря проще, в данном случае две световые волны, одна из которых несет полезную информацию а вторая играет лишь вспомогательную роль, проходят сквозь специальный провод, который направляет световой импульс как оптоволокно. Когда две волны сталкиваются, информация в электрическом поле, содержащем данные световой волны, возбуждает материал-мишень, создавая крошечную звуковую волну с соответствующими свойствами. Этот процесс можно и отменить, если полученная звуковая волна подвергнется воздействию еще одной волны света, содержащей изначальные данные.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Таким образом, исследователи создали систему перевода информации из световых волн в звуковые на одном-единственном крошечном чипе размером с монету. Ширина провода, осуществляющего конверсию, составляет всего лишь 1 мкм, при длине в развернутом виде порядка 10 см. Инженеры утверждают, что звуковые волны в чипе движутся на пять порядков медленнее, чем световые, но длительность сигнала составляет всего 3,5 наносекунд, что слишком мало. Об этом ученые подробно рассказывают в своей работе, опубликованной на портале Nature Communications. На практике это означает, что сигнал лишь немного замедлился, и некоторая часть данных и вовсе была утеряна в процессе испытаний. Но ведь эффективность вычислений во многом зависит от их скорости, так зачем вообще замедлять сигнал?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В основном, здесь играет роль технологический фактор. Замедление сигнала до нужной скорости облегчит работу потенциального фотонного компьютера. Альберт Шлиссер, профессор Института Нильса Бора в Дании, не участвовавший в исследовании, поясняет, что эта мера необходима в первую очередь для синхронизации сетей. «Если нужно осуществить несколько входов и выходов сигнала в короткий промежуток времени, то может возникнуть ситуация, когда сдерживание одного импульса позволит дождаться ответа от другой системы, чтобы потом компьютер решил, стоит ли вообще отправлять задержанный сигнал», говорит он.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Фотонные компьютеры будущего

Сама по себе технология превращения световых волн в звуковые не уникальна, подобные системы создавались и раньше. Преимущество нового изобретения заключается в том, что впервые инженерам удалось уместить весь процесс в рамках крошечного микрочипа, который намного проще использовать в промышленных масштабах — как на персональных компьютерах, так и на смартфонах нового поколения. По словам Шлиссера, все предыдущие системы требовали громоздких катушек оптоволоконного кабеля, что в условиях современного рынка выглядело бы скорее архаизмом и деградацией эстетики вычислительной техники. К тому же, чип в будущем сможет превратить фотоны не только в фононы, но и в другие малые частицы — это поможет, к примеру, создать улучшенные магнитроны, что положительно скажется как на космических двигателях, так и на самых обычных микроволновках.