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.

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.

Как это устроено

Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма, свет обладает свойствами и потока частиц, и волны

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.

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?

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.

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.