Россияне сделали возможным создание фотонного компьютера

Революционное открытие

Российские ученые смоделировали оптическую систему, которая позволяет передавать сигнал практически без потерь, что до сих пор было невозможно в так называемых плазмонных и нанооптических устройствах. В созданной модели малое усиление компенсирует потери сигнала в волноводах. Открытие обещает произвести революцию в ИТ-отрасли.

Исследование провели сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова и Московского физико-технического института (МФТИ). Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.

Система волноводов

В ходе исследования ученые провели ряд экспериментов с оптическими волноводами, которые применяются в оптоволоконных линиях связи. Несмотря на то, что технология уже используется для обеспечения интернет-соединения, ее применение на микроэлектронном уровне ограничено из-за проблемы потери сигнала.

Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимся расстоянием между ними (Источник: МФТИ)

Ученые сконструировали систему из двух волноводов и начали воздействовать на ее параметры, проверяя, как это влияет на сигнал. Один волновод имел поглощающую среду, второй — усиливающую. Для такой системы характерно изменение электромагнитной волны, которая то возрастает, то убывает. Это вызвано тем, что волна, которая распространяется в одном волноводе, взаимодействует при этом со вторым.

В результате поле перетекает из одного волновода в другой, причем скорость его перетекания тем больше, чем ближе находятся волноводы. Если максимум поля находится в усиливающем волноводе, волна становится интенсивнее, если в поглощающем — она спадает.

Влияние на систему

Во время эксперимента ученые периодически меняли расстояние между волноводами, что влияло на перетекание между ними поля. Их задачей было подобрать такую схему изменения расстояния, при которой амплитуда электромагнитного поля будет возрастать в обоих волноводах даже тогда, когда потери в первом волноводе превышают усиление во втором.

Зависимость интенсивности сигнала (сплошная линия) и амплитуды поля (штриховые линии) в первом и во втором волноводах в зависимости от координаты вдоль них (Источник: МФТИ)

В итоге исследователям удалось на пике интенсивности системы изменить расстояние между волноводами так, что поле сконцентрировалось в волноводе с усиливающей средой. Следствием этого стало усиление сигнала. Теоретически, за счет изменения расстояния между волноводами можно до бесконечности наращивать мощность.

Ученые пришли к выводу, что параметры волноводов следует настроить на точку совпадения модов волн, и тогда почти любое изменение параметров повлечет за собой нужное перераспределение поля. Описанная схема также поможет в борьбе с нелинейными эффектами, подавляющими рост амплитуды сигнала.

Фотонные ИТ

С помощью этого метода можно добиться постоянного устойчивого сигнала в фотонных схемах, что сделает фотонные компьютеры реальностью. Передача сигнала с помощью фотонов происходит намного быстрее, чем с помощью электронов, поскольку скорость фотонов равна скорости света.

На сегодняшний день известно несколько попыток создать фотонный (оптический) компьютер. В 1990 г. макет такого компьютера продемонстрировала компания Bell Labs, которая доработала его к 1991 г. и представила под названием DOC-II.

В 2003 г. компания Lenslet представила оптический DSP-процессор EnLight256, ядро которого было создано по оптической технологии, однако управление было электронным.

В 2008 г. компания IBM продемонстрировала оптический коммутатор на чипе, основой которого послужили кремниевые отражающие резонаторы. В 2009 г. в Массачусетском технологическом институте научились создавать волноводы непосредственно на кремниевых чипах.