Новая фотонная система на сверхнизком энергопотреблении приближает эру полностью оптических вычислений

Исследователи из Университета Пенсильвании и Университета штата Монтана представили новую фотонную систему, предназначенную для преодоления фундаментального ограничения, которое долгое время сдерживало развитие оптических вычислителей. Разработанное устройство объединяет двумерный полупроводник дисселенид молибдена с фотонным кристаллическим нанорезонатором, что позволяет управлять световыми сигналами с помощью света, потребляя при этом чрезвычайно мало энергии.

Фотонные устройства, которые обрабатывают информацию с помощью света вместо электричества, долгое время рассматривались как перспективный путь к созданию более быстрых и энергоэффективных вычислительных систем. Однако ключевая проблема ограничивала их развитие: фотоны, или частицы света, по своей природе практически не взаимодействуют друг с другом. Основной мотивацией исследователей было продвижение в области полностью оптических вычислений — давней мечты о создании систем, которые обрабатывают информацию с помощью света вместо электричества. Поскольку свет распространяется быстрее и генерирует меньше тепла, чем движущиеся электроны, такие системы могли бы стать значительно более мощными и энергоэффективными, чем современные электронные чипы.

Чтобы решить проблему слабого взаимодействия фотонов, ученые сосредоточились на создании более сильных взаимодействий с использованием экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, которые формируются, когда фотоны сильно связываются с экситонами внутри полупроводников. Команда использовала однослойный дисселенид молибдена и интегрировала его с нанобалочным резонатором из нитрида кремния, специально сконструированным для сильного удержания света. Ограниченный нанорезонатор помог усилить взаимодействие между светом и материей внутри устройства, обеспечивая ультрабыстрое оптическое переключение при очень низких уровнях мощности.

Заставляя свет сильно связываться с материей в атомарно тонких слоях дисселенида молибдена, исследователи смогли эффективно заставить фотоны взаимодействовать и изменять поведение системы, используя очень мало оптической энергии. Этот гибридный экситон-поляритон, представляющий собой квазичастицы «наполовину свет, наполовину материя», наследует лучшие свойства обоих компонентов: благодаря своей фотонной части они могут распространяться со скоростью света, а благодаря материальной части демонстрируют сильные взаимодействия. Нанорезонатор действует как сверхточная световая ловушка, сжимающая поляритоны в крошечное пространство, что значительно усиливает взаимодействие частиц. В результате созданная система достигла оптического переключения, используя всего около 4 фемтоджоулей энергии.

Исследователи заявляют, что разработанная платформа в перспективе сможет поддерживать крупномасштабные интегральные фотонные схемы и будущие технологии искусственного интеллекта или квантовых вычислений. Эта работа демонстрирует путь к переключению света при экстремально низких интенсивностях света, приближаясь к фундаментальным пределам того, сколько энергии необходимо для взаимодействия фотонов. Ключевым преимуществом является то, что платформа разработана с учетом возможности массового производства.

Используя материалы и структуры, которые могут быть структурированы с помощью стандартных производственных методов, ученые показали, что эти устройства на основе двумерных материалов могут быть интегрированы в крупномасштабные интегральные фотонные схемы, что открывает путь к чипам, содержащим тысячи взаимодействующих оптических компонентов. В настоящее время команда работает над дальнейшей оптимизацией наноструктур для еще большего снижения порога переключения, а также исследует способы соединения нескольких нанорезонаторов в более крупные оптические вычислительные цепи.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: new-science.ru

Комментарии: