211service.com
Szybsze przełączanie optyczne
Komputery działają szybciej, a sygnały komunikacyjne są szybsze, ale interfejs między nimi – w którym elektrony w obwodach komputerowych są przekształcane w fotony dla kabla światłowodowego – pozostaje niezgrabny i powolny. Nowe tranzystory, które opierają się na wirtualnych cząsteczkach o nazwie ekscytony może to zmienić. Ekscyton to stan pobudzenia elektrycznego, które może przechodzić z jednego atomu na drugi, podobnie jak prąd elektryczny. Kiedy ekscyton traci energię, emituje foton, więc ekscytony są dobre w tłumaczeniu między sygnałami elektrycznymi i optycznymi.
Obwód pobudliwy: Nowy chip zaprojektowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego przekształca sygnały optyczne w strumienie wirtualnych cząstek zwanych ekscytonami, które reagują na pola elektryczne, ale łatwo je przekształcić w fotony. Tutaj ze środka chipa emanują trzy strumienie ekscytonów.
Problemem w istniejących systemach jest bariera na połączeniu między sygnałem optycznym a sygnałem elektrycznym, mówi Alex Wysoka , absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD), który prowadził badania wraz z kolegami tam iz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. To eliminuje ten dodatkowy krok. Ponieważ ekscytony są nośnikami światła, można nimi manipulować, wykonywać na nim procesy logiczne w formie ekscytonu, a następnie uwalniać to światło w innym miejscu.
Naukowcy stworzyli maleńkie, przechłodzone układy scalone wykonane z arsenku galu, które mogą wysyłać sygnały ekscytonowe w różnych kierunkach lub łączyć dwa sygnały w jeden – zadania niezbędne do obsługi podstaw logiki komputerowej, tak jak robią to obwody elektroniczne. Sama szybkość obliczeń może nie być dużo większa niż w przypadku konwencjonalnego chipa, mówi Leonid Butov , który prowadził badania. Tam, gdzie możemy nabrać prędkości, jest transformacja fotonów. Butov do tej pory wykazał szybkość przełączania wynoszącą 200 pikosekund, co obejmuje zarówno czas obliczeń, jak i transformację fotonów w ekscytony. Szybkość konwencjonalnej konwersji i przełączania różni się w zależności od materiału, ale jest o rząd wielkości wolniejsza niż przełącznik Butowa. (Na rynku dostępny jest również całkowicie optyczny przełącznik, który nie musi konwertować sygnałów optycznych na elektryczne. Ma szybkość przełączania 50 pikosekund, ale ze względu na duże rozmiary może wykonywać tylko podstawowe operacje.) I 200 Pikosekundy nie są jeszcze nawet ostateczną odpowiedzią, mówi Butov. Być może uda nam się to znacznie przyspieszyć.
Bardziej płynny interfejs optyczno-elektroniczny ma szerokie implikacje. Światłowody to najskuteczniejszy sposób przesyłania dużych ilości danych z prędkością światła i jest używany w niezliczonych zastosowaniach, od telekomunikacji, przez wykrywanie temperatury, po proste przenoszenie informacji z jednego układu komputerowego do drugiego. Ale w pewnym momencie sygnały optyczne prawie zawsze muszą zostać przekonwertowane na sygnały elektryczne - niezależnie od tego, czy komputer stacjonarny może je zrozumieć, czy też wzmocnić podczas długiej podróży. Ta konwersja jest nie tylko powolna, ale tradycyjne konwertery są drogie, stosunkowo duże i energochłonne.
Kontrolując elektrycznie ekscytony, naukowcy z Kalifornii mogą stworzyć podstawy cyfrowej bramki logicznej. Tutaj ten sam chip powoduje, że strumień ekscytonów skręca w lewo, w prawo lub rozgałęzia się na dwie ścieżki jednocześnie.
Jednak nowy zintegrowany chip przyjmuje światło takie, jakie jest, działa na nim w razie potrzeby i wypluwa światło z drugiej strony. Za każdym razem, gdy foton uderza w chip, wypycha ujemnie naładowany elektron z atomu półprzewodnika, pozostawiając dodatnio naładowaną dziurę. Bez interwencji elektron i dziura po prostu rekombinują. Jednak zespół UCSD wykorzystuje tak zwane studnie kwantowe, aby utrzymać elektron i dziurę oddzielnie, ale na tyle blisko, aby pozostać związanym w pojedynczą jednostkę. Ta starannie związana cząstka nazywana jest ekscytonem pośrednim i ma dziwną właściwość, że porusza się po umieszczeniu w polu elektrycznym, nawet jeśli jest naładowana neutralnie. Popychane przez pola elektryczne ekscytony przemykają przez chip po wyznaczonej ścieżce, dopóki nie zostaną ponownie połączone. Następnie uwalniają swoją energię w błysku światła, który wysyła sygnał komunikacyjny do następnego miejsca przeznaczenia.
Prototypowe chipy muszą być schładzane do temperatury poniżej -234ºC. Naukowcy są jednak pewni, że będą w stanie odtworzyć swoje delikatne studnie kwantowe w materiałach półprzewodnikowych, które umożliwiają formowanie się ekscytonów w temperaturze pokojowej.
Zbudowanie chipa w taki sposób, aby pola elektryczne nie rozrywały ekscytonów, było jedną z głównych przeszkód dla naukowców. Jeśli to pole stanie się zbyt silne, może rozerwać elektron i dziurę. Zaprojektowanie bramek, które definiują obwody ekscytonowe, wymagało nowych pomysłów projektowych i wyjątkowej staranności przy ich wdrażaniu Leonid Lewitow , naukowiec z MIT. Uważam, że jest to fundamentalne osiągnięcie w fizyce ekscytonów, które może mieć również bardzo praktyczne konsekwencje i prowadzić do zastosowań.
Butow i jego koledzy zgadzają się. Ich kolorowe zdjęcia ich chipów pokazują strumienie ekscytonów, które można zmusić do skręcenia w lewo lub w prawo, które można podzielić, aby skierować się w lewo i w prawo, lub – w odwrotnej kolejności – które mogą przemieszczać się po dwóch ścieżkach i łączyć w jeden strumień. Chociaż zespół chciałby zademonstrować dodatkowe sztuczki, takie jak wzmocnienie sygnału, zdjęcia pokazują, że ich obwody można zaprojektować tak, aby wykonywały dowolną operację logiczną, którą może wykonać tradycyjny układ elektroniczny. A naukowcy twierdzą, że ich chip zrobi to lepiej.