Новый оптический «транзистор» ускоряет вычисления в 1000 раз
Диаграмма скорости атомов до и после формирования из них конденсата Бозе — Эйнштейна, что кодирует логические состояния 0 и 1 в этих атомах, источник
Международная исследовательская группа под руководством профессора Павлоса Лагудакиса из лаборатории гибридной фотоники Сколтеха создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который не требует охлаждения и демонстрирует скорость около 1 триллиона операций в секунду, что примерно в 100–1000 раз быстрее современных высококачественных коммерческих транзисторов. И самое главное, переключатель предположительно срабатывает от энергии одного-единственного фотона при комнатной температуре (статья «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре» с описанием открытия опубликована 21 сентября 2021 года в журнале Nature).
Устройство показывает столь высокую эффективность, потому что для переключения его состояния требуется всего несколько фотонов или даже один фотон при комнатной температуре, объясняет ведущий автор научной работы Антон Заседателев. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем такая демонстрация будет использована в полностью оптическом сопроцессоре.
Хотя путь предстоит долгий, но перспективы фотоники выглядит многообещающе. По сути, фотоника представляет собой аналог электроники, только вместо электронов используются кванты электромагнитного поля — фотоны. У фотона нулевая масса, а у электрона 9,1093837015(28)⋅10−31 кг. Это существенная разница.
Следовательно, фотоника связана с существенно меньшими энергопотерями, а значит бо́льшей возможностью миниатюризации.
Новый фотонный переключатель может выступать в роли транзистора или устройства передачи данных на оптических каналах связи (на порядок увеличивая пропускную способность канала). Он также может служить в качестве усилителя, повышая интенсивность входящего лазерного луча в 23 000 раз, сказано в научной работе.
Для установки состояния 0 или 1 и переключения между ними устройство использует два лазера: очень слабый затравочный лазер (seed) и основной лазер накачки (pump).
Переключение состояния происходит внутри микрополости — 35-нанометрового тонкого органического полупроводникового полимера полипарафенилена (MeLPPP) между высокоотражающими неорганическими структурами. Микрополость построена таким образом, чтобы входящий свет задерживался внутри как можно дольше, что способствует его «сцеплению» с плёнкой.
На иллюстрации представлена картина электронных возбуждений в полупроводниковом полимере. Красным цветом обозначены экситоны, синим — поляритоны.
Экситон — это квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, а именно — связанное состояние электрона и дырки.
Поляритон — квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды — оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т. д.
Соответственно, когда фотоны взаимодействуют с экситонами в материале полости, это приводит к появлению короткоживущих образований, называемых экситон-поляритонами, которые являются своего рода квазичастицами, лежащими в основе работы переключателя.
Лазер накачки создаёт в одном месте тысячи идентичных квазичастиц, образуя так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна, который кодирует логические состояния 0 и 1 устройства.
Для переключения между двумя состояниями управляющий импульс «засевает» конденсат незадолго до включения лазера накачки (на иллюстрации внизу). Затравочный импульс стимулирует преобразование энергии от лазера накачки, увеличивая количество квазичастиц в конденсате. Большое количество частиц соответствует состоянию 1 устройства, что отражается на излучении, выходящем из системы.
Открытие состоит в том, что учёные построили зависимость количества затравочных поляритонов от энергии затравочного импульса — и экстраполировали эту зависимость до энергии импульса, соответствующей энергии одного фотона. Это и стало «чётким подтверждением однофотонной нелинейности при комнатной температуре».
Чтобы снизить энергопотребление устройства, исследователи использовали несколько приёмов. Во-первых, энергетический зазор между состояниями накачки и конденсата соответствовал энергии одной конкретной молекулярной вибрации в полимере. Во-вторых, удалось найти оптимальную длину волны для настройки лазера и реализовать новую схему для быстрого обнаружения бозе-эйнштейновского конденсата. В-третьих, затравочный лазер и схема обнаружения конденсата были подобраны таким образом, чтобы подавить шум от фонового излучения устройства. Эти меры позволили максимизировать соотношение сигнал/шум и предотвратить поглощение избыточной энергии микрополостью, что привело бы только к её нагреву за счет молекулярных колебаний.
Больше всего энергии в системе потребляет лазер накачки, который поддерживает устройство в рабочем состоянии. Это главный параметр, который намерены оптимизировать исследователи. Антон Заседателев говорит, что есть идея использовать суперкристаллы с кристаллической решёткой как у первоскита из почти правильных октаэдров, которые немного развёрнуты и наклонены относительно идеальных положений. Такие материалы известны своими редкими физическими характеристиками, в том числе сильной связью между светом и веществом, которая «приводит к мощному коллективному квантовому отклику в виде сверхфлуоресценции», пояснил Антон.
Научная статья «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре» (Антон Заседателев, Антон Бараников, Денис Санников, Дарюс Урбонас и другие, научный руководитель Павлос Лагудакис) опубликована 21 сентября 2021 года в журнале Nature (DOI: 10.1038/s41586–021–03866–9).
В последнее время проводится всё больше экспериментов по взаимодействию света с веществом. Например, недавно на ускорителе Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США впервые удалось получить материальное вещество/антивещество напрямую из фотонов, то есть из чистой энергии.
