Ученые из "Сколтеха" и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля. Его описание и результаты первых опытов были опубликованы в журнале Nature Photonics.
"Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой члены нашей группы трудились днем и ночью. Думаю, фотонные процессоры, работающие со скоростью света, станут для нас такой же реальностью, какой сегодня для нас является оптическая связь", — заявили российские ученые, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов – устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более небольших и быстрых вычислительных приборов.
Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов – как сегодня считают многие физики и инженеры, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в пять нанометров, принципиально невозможно создать.
Ученые из МФТИ и зарубежных институтов превратили кубит, элементарную ячейку квантового компьютера, в своеобразный "светофор" для частиц света, что позволило им создать очень надежный излучатель одиночных фотонов.
Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от самой электроники и переходят на иные способы передачи сигнала – при помощи света, спинов частиц или каких-то других "носителей информации".
Для перехода к "световым вычислениям" необходимо несколько важнейших ключевых технологий — световой аналог транзистора, способный избирательно пропускать или задерживать фотоны, а так же расщепитель, способный разбивать луч на две части и удалять ненужные компоненты света.
Прототипы таких приборов уже существуют, однако у всех них есть большая проблема. По своим размерам они напоминают гигантские по современным меркам транзисторы 60 годов прошлого века, когда человечество делало только первые шаги в "компьютерный век". Миниатюризация подобных расщепителей и транзисторов, как показала практика, является крайне нетривиальной задачей.
Антон Заседателев, Павлос Лагудакис и Антон Бараников из лаборатории гибридной фотоники "Сколтеха", а также их зарубежные коллеги, сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать в тысячи раз быстрее, чем его электронные аналоги.
Когда ученые начали разрабатывать световые компьютеры, они быстро столкнулись с фундаментальной проблемой – частицы света фактически не взаимодействуют между собой и их движением крайне сложно управлять.
Эти сложности, как недавно выяснили российские и зарубежные физики, можно решить при помощи так называемых поляритонов. Они представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.
Российские физики решили одну из главных проблем на пути создания световых компьютеров, заставив свет путешествовать почти без потерь между различными компонентами этих вычислительных устройств будущего.
Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, в роли которого обычно выступает набор из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца. В его роли выступает атом и вращающийся вокруг него электрон, который периодически поглощает и испускает квант света.
Эти квазичастицы, как показали первые опыты с ними, можно использовать для создания транзисторов и другой управляющей логики световых компьютеров, однако у всех прототипов подобных устройств был один общий недостаток – они работали только при температурах, близких к абсолютному нулю.
Физики из "Сколтеха" и их европейские коллеги решили эту проблему, научившись создавать поляритоны не в кремнии или других "классических" полупроводниках, а в их органических аналогах, сохраняющих нужные свойства и при комнатных температурах.
На эту роль, как показали опыты ученых, подходит полипарафенилен (MeLPPP), недавно открытый полимерный материал, аналоги которого сегодня применяются при производстве кевлара и различных красителей. Молекулы этого вещества оказались устроены таким образом, что даже при высоких температурах внутри него возникают особые зоны, способные играть роль квантового колодца в классических поляритонах.
Вставив пленку из этого полимера в своеобразный "бутерброд" из нескольких неорганических материалов, физики научились управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать частицы света, используя два разных типа лазеров. Как показали опыты с прототипом такого транзистора, он способен не только переключаться с рекордно высокой скоростью, но и усиливать световой сигнал и при этом тратить минимальное количество энергии.
Используя три подобных транзистора, ученые уже собрали первые прототипы световых логических устройств, способных исполнять операции И и ИЛИ. Их успешная реализация, как считают ученые, открывает дорогу для создания компактных, быстрых и при этом очень экономных световых компьютеров.
По информации https://ria.ru/20190620/1555728849.html
Обозрение "Terra & Comp".
