Mokslininkai sukūrė grynai optinį transistorių

opticaltransistor
1/52/53/54/55/5
4.00/5 (1)
loadingLoading...

Optinė Kompiuterija – naudojant šviesą, o ne elektros energiją skaičiavimams – gali išnaudoti privalumus įprastuose kompiuteriuose ir kvantiniuose kompiuteriuose, kol kas hipotetiniuose prietaisuose, kurie gali tam tikrų tipų skaičiavimus  atlikti visa eile greičiau nei įprastiniai kompiuteriai. Optinis jungiklis, įjungiamas vienu fotonu – gali pareikalauti naujo dizaino tiek klasikinių tiek ir kvantinių kompiuterių.

Bet optinėje kompiuterijoje reikia, kad šviesos dalelės – fotonai sąveikautų – paveiktų vienas kito elgesį, ko jie natūraliai nelinkę daryti: du fotonai, kurie susiduria vakuume, tiesiog pereina vienas pro kitą.

Pastarajame žurnale „Science“ MIT elektronikos tyrimų laboratorijos mokslininkai – kartu su kolegomis iš Harvardo  ir Vienos technologijos universitetų – aprašė eksperimentinę optinio jungiklio realizaciją, valdomą vieno fotono, todėl šviesa valdo šviesos perdavimą. Jeigu taip, tai čia yra optinis analogas tranzistoriaus, pagrindinis kompiuterių grandyno komponentas.

Be to, nors ir keista, priešingai nei sako intuicija, kvantinės fizikos požiūriu lengviau matyti atskirų dalelių nei grupių dalelių  poveikį, galimybė naudoti vieną fotoną jungiklio perjungimui gali padaryti jį naudinga kvantinių kompiuterių kūrimui.

Jungiklio širdis – aukštos atspindinčios galios veidrodžių pora. Kai jungiklis yra įjungtas, optinis signalas – spindulys – gali praeiti per abu veidrodžius. Kai jungiklis yra išjungtas, tik apie 20 procentų signalo šviesos gali pereiti.

Prijungto veidrodėliai sudaro tai, kas vadinama optiniu rezonatoriumi. „Jei turim tik vieną veidrodį, visa šviesa sugrįš“, aiškina Vladan Vuletic, Lester Wolfe fizikos profesorius MIT, kuris vadovavo darbui. „Kai jūs turite du veidrodžius, vyksta kažkas labai keisto.“

Šviesa gali būti suvokiama kaip dalelės – fotonai – bet ji taip pat gali būti suvokiama kaip banga – elektromagnetinis laukas. Pagal dalelių aprašymą, fotonai sustabdomi pirmjo veidrodžio, pagal bangų aprašymą, elektromagnetinis laukas lieka tarp veidrodžių erdvėje.  Vuletic aiškina: „Iš esmės, labai stiprus laukas kaupiasi viduje ertmės, kuris slopina lauko grįžimą atgal ir leidžia eina į priekį, jei tarp veidrodžių atstumas yra tiksliai kalibruotas su šviesos bangos ilgiu.“ Kitaip tariant, veidrodėliai tampa skaidrūs tinkamos bangos šviesai.

Užtamsinimas

opticaltransistor
Grafika : Christine Daniloff

Be JAR mokslininkų eksperimentą, tarp veidrodžių ertmė yra pripildyta peršaldytomiscezio atomų dujomis. Paprastai šie atomai nesąveikoja su šviesa, pereinančia veidrodžius. Bet jei vienas „vartų fotonų“ pateks tarp jų skirtingu kampu, pernešdams tik vieną vieno atomo elektroną  į aukštesnį energijos būseną, tai keičia ertmės fiziką pakankamai, kad šviesa nebegalėtų praeiti pro jį.

Pagrindinis privalumas optinio prieš įprastus kompiuterius  – galingumo valdymas: kadangi kompiuterių lustai turi vis daugiau ir daugiau sugrūstų į juos tranzistorių, jie naudoja daugiau galios ir paskleidžia daugiau šilumos. Panaudojimas šviesos vietoj elektros energijos būtų spręsti abi problemas.

Žinoma, ultrašaltų atomų debesys nėra praktiškesnis dizainas už tarkim, žiniatinklio serverio tranzistorių. Dėl klasikinio įgyvendinimo, tai yra daugiau pademonstravimas veikimo principo, kaip tai būtų galima padaryt.

Kvantinis ėjimas

Kvantinės skaičiavimo programos gali būti patrauklesnės. Keista, materijos dalelytės gali būti tarpusavyje nesuderinamų būsenų tuo pačiu metu, tai žinomas kaip superpozicija. Klasikinės kompiuteryje būsenos gali būti įjungta arba išjungta, t.y. nulis arba 1, tuo tarpu bitai, padaryti iš kvantinių dalelių, superpozicija gali atstovauti ir nulį ir 1 tuo pačiu metu. Dėl šios priežasties, jie galėtų iš esmės įvertinti daug galimų sprendinių, spręsti kompiuterines problemas lygiagrečiai, o ne nuosekliai po vieną.

Primityvūs kvantiniai kompiuteriai buvo sukurti naudojant lazeryo spindulyje pakabintus jonus ir branduolinį magnetinį rezonansą, bet sunku išlaikyti savo bitų – arba „kubitų būsenas superpozicijoje. Superpozicija yra daug lengviau išsaugojama fotonuose, lygiai dėl tos pačios priežasties, dėl ko juos sunku priversti sąveikauti.

Galimybė keisti optinių vartų būseną su vienu fotono atveria galimybę perjungti visą masyvų optinių grandynų, kurios visos yra  superpozicijoje.

Fotonas perjungimo tranzistorius turi kitų reikšmių kvantiniams kompiuteriams. Pavyzdžiui, Vuletic sako vienas iš pirmųjų paraiškų tradicinei tranzistorius buvo filtruoti triukšmas iš elektriniu signalu šeriant tranzistorius produkciją atgal į jį. „Kvantinis grįžtamasis ryšys gali panaikinti – kiek tai leidžiama pagal kvantinę mechaniką – kvantinį triukšmą“ -Vuletic teigia.

Jungiklis taip pat gali būti naudojamas kaip fotonų detektorius: Jei fotonas paveikė atomus, pro ertmę šviesos nebus.  Vuletic sako: „Tai reiškia, kad turite įrenginį, kuri gali aptikti fotoną nesunaikinant jo. Bet tai dar ne šiandien“.

„Kompiuterinių įrenginių energijos suvartojimas yra didelė problema“, sako Jelena Vuckovic, elektros inžinerijos profesorė Stanfordo universitete. „Šio metodo grožis yra tai, kad jis tikrai gali padaryti perėjimą prie vieno fotono lygio, ir jūsų nuostoliai taps daug mažesniais. Jūs neturite eikvoti daug energijos už kiekvieną bitą. Jūsų bitas įpakuotas tik į vieną fotoną“.

Daugiau informacijos:

http://web.mit.edu/newsoffice/2013/computing-with-light-0704.html  „All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon“  Šis dokumentas bus paskelbtas internete, žurnale „Science“, Science Express svetainėje, ketvirtadienis, liepa 4.