На шаг ближе к оптическим компьютерам: в Сколтехе создали полностью оптический универсальный логический вентиль

Учёные из Сколтеха и Университета Вупперталя в Германии под научным руководством вице-президента по фотонике Сколтеха Павлоса Лагудакиса, лауреата научной премии «Вызов», создали универсальный логический элемент NOR (от англ. NOT — оператор отрицания и OR — оператор логической суммы «или»). Он разработан на основе поляритонных конденсатов, функционирует при комнатной температуре, имеет множественные входы, может работать в сотни раз быстрее электронных аналогов, а также является полностью оптическим — то есть работает без участия электрического тока. Важно, что такие логические элементы можно воспроизводить и соединять в цепи, то есть каскадировать. Результаты работы представлены в журнале Nature Communications.

По словам исследователей, на базе нового вентиля NOR можно создать любые типы логических элементов, необходимых для оптических микросхем, и проводить вычисления без участия электрического тока. Результаты исследования приближают учёных к давней мечте о создании оптических компьютеров, которые смогут работать в сотни раз быстрее традиционных компьютеров на основе электронных технологий.

«Мы впервые на практике реализовали каскадируемый оптический универсальный логический вентиль, а значит, наши эксперименты открывают путь к созданию полностью оптического вычислителя. Дело в том, что современные компьютеры ограничены по частоте работы электронного процессора в несколько ГГц. С 80-х годов для увеличения скорости вычислений производители постоянно увеличивали тактовую частоту процессора, но затем столкнулись с принципиальным физическим ограничением — если поднимать частоту процессора выше нескольких ГГц, то процессор просто превращается в электрообогреватель. В 2019 году наша лаборатория разработала первый в мире сверхбыстрый оптический поляритонный транзистор, который работает при комнатной температуре и является основным строительным блоком оптических поляритонных логических цепей. А в чём преимущество оптики? Прежде всего она не ограничена несколькими ГГц тактовой частоты. Мы можем работать с поляритонными транзисторами с частотой до 1 ТГц, что примерно в 300 раз быстрее электронных аналогов. В другой нашей работе мы показали, что для управления оптическим поляритонным транзистором достаточно одного фотона, что не может быть реализовано в любой другой оптической системе», — рассказал первый автор работы Денис Санников, заместитель руководителя Лаборатории гибридной фотоники в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха.

Логические элементы — или вентили — выполняют в устройстве различные логические операции — конъюнкцию, дизъюнкцию, отрицание и т.д. Процессор в компьютере состоит из миллиардов транзисторов, объединённых в эти логические элементы, которые при подаче какого-то входного сигнала, производят внутренние вычисления и выдают, например, изображение на экран. Логический вентиль принимает на каждый из своих входов сигнал с логическим уровнем «0»  или «1», а на выходе возвращает сигнал «0» или «1» в соответствии с предварительно заданными правилами. Обычно электронные вентили имеют 2-8 входов и 1-2 выхода, но в экспериментах учёных Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха новый оптический универсальный вентиль успешно справился с 12 входами — в этом ещё одно конкурентное преимущество разработки.

«Для создания универсального вентиля мы использовали особые свойства „жидкого света“ — так сейчас называют поляритонные конденсаты, способные усиливать слабые оптические сигналы в десятки тысяч раз. Чтобы создать такой „жидкий свет“, для начала мы должны сконденсировать поляритоны в основное состояние. Если проводить параллель, то это подобно водяному пару в воздухе, который превращается в воду на холодном стекле окна. Мы же пошли дальше и научились конденсировать поляритоны не только в основное состояние, но и в неосновное — состояние с большей энергией. Этот эффект позволил решить давнюю проблему полностью оптических, логических элементов, заключающуюся в отключении оптического сигнала с помощью света, делая из логической единицы ноль, — добавил Денис Санников. — Фотоны, в отличие от электронов, не взаимодействуют друг с другом, и поэтому создание такого оптического логического преобразователя долгое время оставалось физическим и технологическим вызовом. Мы добились решения этой задачи благодаря использованию уникальных свойств „жидкого света“, объединяющего в себе свойства как фотонов, так и электронов, что позволило создать оптический поляритонный универсальный вентиль».

Исследование поддержано грантом РНФ № 23-72-00059 «Оптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных плёнках».