Ruski znanstvenici pristupili izradi fotonskog računala

Ruski znanstvenici eksperimentalno su potvrdili da se nanokristali galijevog fosfida mogu koristiti za stvaranje mikročipova u fotoničkim računalima. Ovi će strojevi biti mnogo brži i energetski učinkovitiji od elektronike, zbog čega se programeri diljem svijeta bore da ih stvore. Ruski stručnjaci očekuju da će u sljedećih nekoliko godina sastaviti prve radne uzorke mikro krugova temeljene na fotonima. Prema riječima stručnjaka, rad znanstvenika sigurno će naći praktičnu primjenu, ali je važno da se postignuća dobivena u laboratorijima mogu ponoviti u serijskoj proizvodnji temeljno novih računala.

 

Svjetlo u detaljima

Fizičari MIPT-a pronašli su materijal koji je najprikladniji za stvaranje optičkih mikrosklopova koji rade prijenosom svjetlosnih čestica – fotona. Proveli su niz eksperimenata koji su pokazali da fizikalna svojstva nanokristala galijevog fosfida (GaP) omogućuju da oni budu najjednostavniji elementi budućeg fotoničkog računala.

Na primjer, GaP ima visok indeks loma. To znači da se svjetlost male valne duljine dobro širi kroz nano kristale ovog materijala. To vam omogućuje izradu najminijaturnijih optičkih komponenti od njega. Na temelju dobivenih podataka znanstvenici su izračunali minimalnu debljinu kristala za prijenos svjetlosnog signala jedne ili druge boje.

Da bismo napravili računalo koje će raditi na svjetlosnim signalima, potrebno je izraditi male optičke elemente koji čine njegove mikrosklopove. Odnosno, svjetlo moramo smjestiti u vrlo male elemente. To zahtijeva materijal s visokim indeksom loma i malim optičkim gubitkom tijekom prijenosa svjetlosti. Pokazalo se da je galijev fosfid jedan od najperspektivnijih u tom smislu ,” rekao je Aleksej Bolšakov, voditelj Laboratorija za funkcionalne nanomaterijale u Centru za fotoniku i dvodimenzionalne materijale Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju.

Svi proračuni u modernim računalima izvode se zbog kretanja elektrona kroz elemente mikro krugova, prvenstveno tranzistora. S razvojem tehnologije, tranzistori su mogli biti sve manji i manji – do nekoliko nanometara. Zahvaljujući tome, nekoliko milijardi takvih uređaja može se smjestiti u jedno računalo.

Međutim, znanstvenici primjećuju da su se tranzistorske tehnologije približile svojoj granici – neće biti moguće učiniti ih još manjim, jer kvantni efekti već počinju ometati njihov rad. Osim toga, brzina elektroničkih uređaja ograničena je brzinom elektrona. Fotoni se kreću mnogo brže. Ali njihova glavna prednost u odnosu na elektroniku je njihov mali gubitak energije tijekom širenja. To određuje njihovu nisku potrošnju energije. Prema stručnjacima, može biti nekoliko redova veličine manji. Iz tog razloga, najbolji stručnjaci diljem svijeta bore se za implementaciju ideje o optičkom računalu.

Svjetlosne žice

Neophodna komponenta budućih mikrosklopova fotonskog računala bit će valovod – to jest, kanal duž kojeg će se kretati svjetlosni signal, prelazeći s jednog logičkog elementa na drugi. Eksperimenti su pokazali da je minimalna debljina takve “svjetlosne žice” od galijevog fosfida 108 nanometara, što je dovoljno za stvaranje prvih eksperimentalnih uzoraka mikrosklopova.

Znanstvenici su također u svom radu pokazali da se GaP valovode može jako savijati, a da u isto vrijeme nastavljaju provoditi svjetlost. Zahvaljujući tome, od njih se mogu izraditi složeniji elementi, poput razdjelnika koji razdvajaju ili spajaju svjetlosne tokove.

Najjednostavniji razdjelnik su dva nitasta kristala koji leže jedan pored drugog. Poslali smo snop svjetla u jednu od njih. Ispostavilo se da se svjetlosni signal širi i duž valovoda u koji smo ga poslali i u onaj koji leži u blizini, iako nisu mehanički povezani”, rekao je Aleksej Bolšakov.

Ovaj efekt omogućit će u budućnosti izradu složenijih optičkih elemenata koji će iz struje svjetlosti filtrirati samo dio svjetlosnog toka određene valne duljine ( spektralno odvajanje) te stvaranje svjetlosnih logičkih elemenata koji će zamijeniti elektroničke tranzistore, MIPT objasnio.

Znanstvenici planiraju razviti minijaturne izvore svjetlosti koji će odgovarati veličini valovoda i razdjelnika. Prema njihovoj hipotezi, isti nanokristali brkova galijevog oksida mogu se koristiti za to ako se modificiraju drugim tvarima, poput arsena. Stručnjaci planiraju dobiti prve jednostavne mikrosklopove temeljene na novim principima u sljedećih nekoliko godina.

Kao lula u vodovodu

Važno je da su autori predstavili prototip optičkog para dviju GaP nanožica i implementirali spektralno razdvajanje signala. Prikazane su granice mehaničke čvrstoće potrebne za izradu stvarnih logičkih sklopova na mikro i nanovovodima. Zapravo, prikazana je izvedba jednog od ključnih čvorova fotonskih logičkih sklopova. Razvoj ima veliki praktični potencijal za računalne sustave sljedeće generacije,” rekla je Danila Saranin, voditeljica naprednog laboratorija za solarnu energiju pri NUST MISIS.

Istraživanja valovoda traju već duže vrijeme. Moguće je da je uporaba galijevog fosfida doista tehnološki opravdana, objasnio je za Izvestiju Petr Fedorov, izvanredni profesor na Institutu SPINTech NRU MIET. No, prema njegovim riječima, najvažnija stvar u mikro krugu nije vodljivi element, već logičan – tranzistor. Valovod ima istu ulogu kao cijev u vodoopskrbnom sustavu. Od promjene njegove veličine ništa se suštinski neće promijeniti u cijelom sustavu.

“Međutim, mogućnost filtriranja svjetlosti pomoću nanokristala galij-fosfida, koja otvara nove perspektive u stvaranju upravo logičkih komponenti mikrosklopa, izvrstan je rezultat znanstvenog rada. No, glavno pitanje koje se postavlja nakon laboratorijskih uspjeha jest je li moguće dobiti iste rezultate čak i s malom proizvodnjom. Ako galijev fosfid to omogući, onda će se koristiti u praksi”, rekao je Petr Fedorov.

Rad je proveden u suradnji sa Sveučilištem Alferov, ITMO, HSE i Državnim sveučilištem u Jerevanu uz potporu Ruske znanstvene zaklade.

https://iz-ru.