8 февраля 2016 года в России отмечают праздник, приуроченный к дате основания Российской академии наук – День науки. К знаковой дате мы подготовили краткий обзор прорывных отраслей, исследования в области которых призваны сменить существующий уклад.
От электроники – к оптике
Любая технология рано или поздно теряет свою актуальность, и кремниевая электроника – не исключение.
Темпы ее развития в последние годы движутся не так бодро, как еще десять лет назад, и все чаще слышны разговоры о том, что закон Мура – эмпирическое наблюдение о том, что количество транзисторов в микросхемах удваивается каждые два года, – почти подошел к своему пределу.
Это заметно и на бытовом уровне: процессоры домашних компьютеров перестали наращивать гигагерцы и увеличивают производительность за счет многоядерной архитектуры и параллельных вычислений.
Причина этому кроется в физических ограничениях. Электроны, двигаясь по проводнику, теряют энергию. Этот эффект связан с наличием массы у носителей тока, а по мере увеличения рабочей частоты устройства он только увеличивается.
Уменьшение размеров элементов для снижения тепловых потерь тоже имеет ограничения – начинает чувствоваться атомная структура: современный технологический размер 10 нанометров по порядку величины соответствует всего лишь 100 атомам.
Другое дело – использовать свет: фотоны являются самой быстрой частицей, обладают нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом, световые потоки на разных длинах волн не мешают друг другу. Поэтому у манипуляции информационными потоками при помощи оптических технологий много сильных сторон.
К примеру, информацию в виде светового луча можно обрабатывать непосредственно во время передачи, причем без существенных энергетических затрат, а за счет работы с волнами разной длины можно добиться высокой степени параллелизации вычислений. Наконец, оптическая система не подвержена воздействию электромагнитных наводок.
Из-за явных преимуществ оптических вычислений перед электронными эта область стала объектом пристального внимания ученых, но оптические вычислительные схемы пока что остаются гибридными – они сочетают в себе оба технологических подхода.
Первый рабочий прототип оптоэлектронного компьютера еще в 1990-м году представила компания Bell Labs, а спустя 13 лет Lenslet анонсировала первый коммерческий оптический процессор EnLight256, способный выполнять до 8*1012 операций над 8-битными целыми в секунду (8 тераоп).
Однако, несмотря на то, что первые шаги в нужном направлении уже сделаны, в этой области все еще больше вопросов, чем ответов.
«Для некоторых приложений хорошо, что фотоны не замечают друг друга, но любая логика строится на том, что, допустим, произошло событие А, и в зависимости от того, произошло ли другое событие Б, нужно выдать ответ “да” или “нет”, то есть 1 или 0.
Этот ответ должен зависеть от двух условных пучков света, соответствующих A и Б.
При манипуляции токами на таком принципе строится транзисторная логика в обычной электронике, а в фотонике подход пока что не работает – использование нелинейных эффектов, когда, например, с помощью мощного потока излучения изменяются характеристики материалов, тем самым влияя на распространение второго пучка, слишком неэффективно с точки зрения энергопотребления, – объясняет старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе Михаил Рыбин. – Коммерчески привлекательных устройств на оптической логике пока что нет, но есть определенные наработки, которые позволяют двигаться в ту или иную сторону. Можно сказать, что текущие исследования составляют исходный материал для мозаики, который накапливается и систематизируется, чтобы потом появилась возможность взглянуть на все это в целом и понять, как выложить найденные элементы и собрать целую картину».
Cкладыванием таких кусочков мозаики занимаются ученые из разных подразделений Университета ИТМО.
Некоторые исследования напрямую связаны с оптическими вычислениями – например, в 2015 году физики из лаборатории нанофотоники и метаматериалов экспериментально продемонстрировали возможность создания сверхбыстрого оптического транзистора всего лишь из одной кремниевой наночастицы. Сюда же можно отнести исследования невидимости, топологически защищенных краевых состояний и другие работы.
Фотоны и кубиты
Другая революция, которую ожидают в области вычислений, касается не просто замены электронов фотонами.
Невозможные для современной полупроводниковой электроники задачи призван решить квантовый компьютер – он оперирует не классическими битами информации, которые принимают значения «0» и «1», а кубитами, которые могут находиться в суперпозиции, то есть наложении, этих состояний.
За счет использования квантовых эффектов от таких компьютеров ожидается значительный прирост в производительности. Первые ограниченные варианты подобных устройств уже собраны в лабораториях – от однокубитных процессоров до 128-кубитного компьютера D-Wave One, принцип работы и эффективность которого вызвали массу споров среди специалистов по квантовой физике.
Однако и здесь полноценно работающими «первыми ласточками» можно назвать только гибридные схемы, которые используют квантовые эффекты для устройств на основе полупроводниковых технологий, а именно – технологии защиты канала связи с помощью квантовой криптографии.
Из-за того, что передача ключа шифрования осуществляется с помощью фотонов, злоумышленник не сможет незаметно вмешаться в передачу и перехватить данные – попытка измерить или скопировать фотон неизменно разрушит его.
Благодаря принципам построения систем квантовой криптографии принимающая и передающая стороны просто не станут использовать в передаче бит, который в нем зашифрован (подробнее о работе квантовокриптографических систем читайте здесь).
Сегодня квантовые сети представляют собой простейшие соединения точка-точка, максимальное расстояние между которыми составляет около 300 км, и исследователи пытаются создавать гибридные решения – объединять разные каналы связи и схемы шифрования.
«На последнем этапе интеграции квантовых технологий должны появиться полноценные квантовые сети, которые не просто позволяют защитить канал квантовым ключом.
Будет возможность использовать запросы в базы данных, построенные на квантовых принципах, проводить распределенные квантовые вычисления, в перспективе это означает переход к квантовому интернету», – отмечает представитель Центра научно-технического форсайта Университета ИТМО Кирилл Разгуляев.
Проекты по развитию квантовых технологий в России входят в дорожную карту группы SafeNet Национальной технологической инициативы (НТИ).
Для того, чтобы повысить эффективность этой работы, в 2015 году на конференции «Квантовые коммуникации – инфраструктура будущего» участники приняли решение сформировать консорциум, который призван разработать стандарты и протоколы для работы устройств на принципах квантовых коммуникаций и подготовить инфраструктуру для дальнейшего внедрения квантовой информатики. Когда у нас появится первый квантовый компьютер, его будет к чему подключить.
Разум ex machina
Говоря о смене парадигм в области вычислений, нельзя не упомянуть то, что будут считать новые вычислительные сети.
Человечество давно грезит созданием рукотворного собрата по разуму, область исследования искусственного интеллекта зародилась в середине прошлого века и изначально воспринималась как достаточно простая и понятная.
К примеру, в 1956 году участники Дартмутского семинара в США планировали всего за два месяца «…обучить машины использовать естественные языки, формировать абстракции и концепции, решать задачи, сейчас подвластные только людям».
Сегодня эта сфера рассматривается не настолько поверхностно, в мире появляются даже инициативы по ограничению исследований в области ИИ: в начале 2015 года было составлено коллективное письмо с требованием трезво оценивать риски создания «мыслящей» техники, которое подписали физик-теоретик и популяризатор науки с мировым именем Стивен Хокинг, миллионер Илон Маск, писатель-фантаст Вернор Виндж и другие. Подходы к реализации искусственного интеллекта находят применение в различных задачах – от анализа контента и поиска в интернете до создания устройств, которые уже кажутся нам обыденностью (допустим, парковочные системы, которые устанавливают в автомобили, тоже можно назвать в некотором смысле интеллектуальными). Специалисты Университета ИТМО обращаются к аспектам ИИ для нужд робототехники и развития компьютерных технологий, а также для решения менее тривиальных задач – к примеру, в геологии.
Как считает доцент кафедры вычислительной техники Университета ИТМО Игорь Бессмертный, главная сложность для создателей «сильного» искусственного интеллекта заключается в том, что воссоздать разум невозможно без создания карты интеллектуальных навыков, которыми человек пользуется интуитивно. Сформировать такую карту чрезвычайно сложно, поскольку мы можем даже не догадываться, что эти навыки можно и нужно как-то формализовать. Появление полноценного собрата по разуму откладывается еще и потому, что он нам, по большому счету, не нужен.
«Иногда интеллектуальное поведение устройства необходимо – там, где невозможно находиться человеку-оператору, или в тех случаях, когда это упрощает жизнь.
Каждое такое устройство выполняет узкий круг задач: есть роботы-сиделки, роботы-повара… Но создавать гомункула, чтобы просто было с кем поговорить, нерационально и затратно, – комментирует Игорь Бессммертный. – Существует масса фактов поведения человека, которые никак не формализованы.
Считается, что половину своих знаний человек усваивает за первые три года жизни, и мы иногда даже не догадываемся, что они есть и что их нужно формализовать. Если я выпущу предмет, который держу в руках, он упадет на пол. Людям это очевидно, а машине – нет.
По моим подсчетам, человек должен хранить и уметь использовать в среднем 50 миллионов фактов. Для сравнения: компания Cycorp составляет онтологическую базу знаний с 1984 года, и за это время в ней накопилось всего 3 миллиона фактов. Для работы универсальной интеллектуальной системы нужно как минимум на два порядка больше».
Если же предположить, что произойдет смена парадигм и переход к новым принципам создания электронных устройств, можно ожидать прорыва и в области ИИ.
Более мощная техника будет поддерживать более сложные интеллектуальные системы, которые спровоцируют дальнейшую взрывную эволюцию электроники.
По оценке профессора кафедры компьютерной фотоники и видеоинформатики Алексея Потапова, технологическая сингулярность – момент, после которого сложность и скорость прогресса станет расти по экспоненте, – может произойти уже к 2030-2050 году.
Подготовил Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО
Предложена система, которая может стать основной для создания оптического транзистора
Коллектив ученых, в основу которого вошли сотрудники Университета ИТМО, создал планарную систему, где фотоны связываются с другими частицами и за счет этого могут взаимодействовать. Принцип, представленный в ходе эксперимента, может стать платформой для создания оптического транзистора, который, в свою очередь, станет основой оптического компьютера.
Статья опубликована в журнале «Light: Science & Applications».
Широко известно, что транзисторы, без которых невозможно представить себе современную человеческую цивилизацию, работают за счет управляемого движения по ним электронов.
Этот метод использовался десятилетиями, однако у него есть ряд недостатков: во-первых, как всем хорошо известно, электроника нагревается при работе, то есть часть энергии тратится не на полезную работу, а на паразитный нагрев.
Для борьбы с ним приходится оснащать устройства вентиляторами, то есть тратить еще больше энергии. Кроме того, скорость электронных устройств имеет свои ограничения.
Часть этих проблем можно решить, если использовать вместо электронов частицы света – фотоны.
Устройства, в которых для кодировки информации можно будет использовать свет, будут меньше греться, потреблять меньше энергии и при этом работать быстрее.
Эксперименты со светом физиков Университета ИТМО / ©Пресс-служба Университета ИТМО
Именно поэтому проблемой создания оптических компьютеров занимаются сейчас по всему миру. Однако трудность заключается в том, что фотоны, в отличие от электронов, друг с другом не взаимодействуют. Ученые всего мира по-разному предлагают «обучать» фотоны взаимодействовать друг с другом. Один из таких способов – это связать фотоны с другими частицами.
Оптическое связанное состояние в континууме в точке Γ двумерного фотонного кристалла / ©www.nature.com
Группа ученых, среди которых сотрудники Нового Физтеха Университета ИТМО, предложили новую эффективную реализацию, где фотоны связываются с экситонами в однослойных полупроводниках.
Экситоны возникают, когда электрон, возбужденный внешним воздействием, оставляет за собой незаполненную валентную связь, которую физики называют дыркой.
При этом электрон и дырка могут связываться между собой, образуя новую частицу — экситон, которая может взаимодействовать с такими же частицами.
Сильная связь экситонов в монослое диселенида молибдена и связанного состояния в континууме / ©www.nature.com
«Если экситон связать с частицами света, то получим поляритон, — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Василий Кравцов, соавтор работы, – эта частица будет отчасти светом, с ее помощью можно будет быстро передавать информацию, и в то же время она будет в состоянии взаимодействовать с другими такими же частицами».
Экспериментальные структуры / ©Пресс-служба Университета ИТМО
Казалось бы, поляритоны решают проблему – нужно просто создать транзистор на их основе. Однако все не так просто – необходимо создать систему, в которой такие частицы существовали бы достаточно долго и при этом имели бы высокие показатели взаимодействия. В лабораториях Нового Физтеха Университета ИТМО поляритоны получают с помощью лазера, волновода и тончайшего слоя полупроводника.
Пластинку полупроводника толщиной всего в три атома кладут на волновод, созданный из оптического материала, на поверхности которого вырезана особым образом сетка из тончайших канавок. После этого на эту систему светит красный лазер, который создает в полупроводнике экситоны, которые в свою очередь связываются с частицами света, образуя поляритоны.
Соавторы работы Василий Кравцов и Федор Бенимецкий / ©Пресс-служба Университета ИТМО
Получившиеся поляритоны не только существуют сравнительно долго, но и имеют высокие показатели нелинейности, то есть активно взаимодействуют друг с другом. «Это приближает нас на шаг к созданию оптического транзистора – у нас есть планарная платформа, которую можно интегрировать в чип, толщиной меньше 100 нанометров.
Поскольку показатели взаимодействия частиц большие, то нам не нужно устанавливать мощный лазер, достаточно небольшого источника красного света, который также можно интегрировать на чипе», — рассказывает Кравцов. В настоящее время, ученые продолжают опыты, сейчас перед ними стоит задача показать, что система работает при комнатной температуре.
Ученые предложили платформу для создания оптического транзистора — новости электроники
22 апр. 2020 г., 12:30 | 96
Ведущие научные коллективы в области нанофотоники работают над тем, чтобы создать оптические транзисторы, которые лягут в основу оптического компьютера.
Передача информации в таких устройствах будет вестись не с помощью электронов, а с помощью фотонов, что позволит снизить нагрев и увеличить быстродействие. Однако существует сложность — фотоны не очень хорошо взаимодействуют друг с другом, что добавляет проблем микроэлектроникам.
Группа исследователей, основу которой составили сотрудники Университета ИТМО, предложила свой вариант решения проблемы, создав планарную систему, в которой фотоны связываются с другими частицами и за счет этого могут взаимодействовать.
Принцип, представленный в ходе эксперимента, может стать платформой для создания оптического транзистора. Статья опубликована в журнале «Light: Science & Applications».
Широко известно, что транзисторы, без которых невозможно представить себе современную человеческую цивилизацию, работают за счет управляемого движения по ним электронов. Электрический ток используется для обработки, кодирования и передачи информации в компьютерах, смартфонах, телевизорах и многих других устройствах.
Этот метод использовался десятилетиями, однако у него есть ряд недостатков: во-первых, как всем хорошо известно, электроника греется при работе, то есть часть энергии тратится не на полезную работу, а на паразитный нагрев; для борьбы с этим нагревом приходится оснащать устройства вентиляторами, то есть тратить еще больше энергии; кроме того, скорость электронных устройств имеет свои ограничения.
Часть этих проблем можно решить, если использовать вместо электронов частицы света — фотоны. Устройства, в которых для кодировки информации можно будет использовать свет, будут меньше греться, потреблять меньше энергии и при этом работать быстрее.
Именно поэтому проблемой создания оптических компьютеров занимаются сейчас по всему миру. Однако работа над их созданием идет не так быстро, как хотелось бы, в том числе потому, что просто заменить электроны на фотоны в транзисторе не получится.
«Проблема в том, что фотоны, в отличие от электронов, друг с другом не взаимодействуют, фотон не управляет фотоном. Именно поэтому сделать транзистор только на фотонах очень сложно», — рассказывает ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Василий Кравцов.
Василий Кравцов
Две частицы по цене одной
Ученые всего мира по-разному предлагают «обучать» фотоны взаимодействовать друг с другом. Один из таких способов — связать фотоны с другими частицами.
Группа ученых, среди которых сотрудники Нового физтеха Университета ИТМО, предложили новую эффективную реализацию, где фотоны связываются с экситонами в однослойных полупроводниках.
Эти исследования велись в рамках работы над мегагрантом, реализуемым совместно с учеными из университета Шеффилда.
«Экситоны — это элементарные возбуждения в твердом теле, — рассказывает Василий Кравцов, который является соавтором работы. — Они возникают, когда электрон возбуждается и оставляет за собой незаполненную валентную связь, или дырку, имеющую, как и ядро атома, положительный заряд.
Электрон и дырка могут взаимодействовать между собой, образуя подобие атома — это и есть экситон. У этих экситонов есть дипольный момент, проще говоря, плюс и минус, которые позволяют им взаимодействовать с другими такими же частицами. Если экситон связать с частицами света, то получим поляритон.
Поляритон будет отчасти светом, с его помощью можно будет быстро передавать информацию, и в то же время он будет хорошо взаимодействовать с другими такими же частицами».
Казалось бы, поляритоны решают проблему: нужно просто создать транзистор на их основе. Однако все не так просто. Необходимо создать систему, в которой такие частицы существовали бы достаточно долго и при этом имели бы высокие показатели взаимодействия.
Иллюстрация экспериментальных структур. Фото предоставлено физико-техническим факультетом- Ловушки для света
- В лабораториях Нового физтеха Университета ИТМО поляритоны получают с помощью лазера, волновода и тончайшего слоя полупроводника, состоящего из атомов диселенида молибдена.
Пластинку полупроводника толщиной всего в три атома кладут на волновод, созданный из оптического материала, на поверхности которого особым образом вырезана сетка из тончайших канавок.
После этого на эту систему светит красный лазер, который создает в полупроводнике экситоны, которые сильно связываются с частицами света, образуя поляритоны.
Последние, в свою очередь, на некоторое время оказываются «заперты» в сетке канавок волновода.
«Волновод структурирован специальным образом, чтобы, грубо говоря, создавать ловушку для света, — поясняет соавтор работы Федор Бенимецкий.
— Представьте два зеркала, расположенных друг напротив друга, при некоторых условиях свет определенной длины волны будет задерживаться между ними. В нашем случае роль этих двух зеркал играет наш волновод.
Свет проходит через слой полупроводника, создавая в нем при некоторых обстоятельствах поляритоны, которые являются частично светом, частично экситонами. За счет геометрии волновода эти гибридные частицы “живут” сравнительно долго».
Федор Бенимецкий
Получившиеся поляритоны не только существуют достаточно долго, но и имеют сверхвысокие показатели нелинейности, то есть активно взаимодействуют друг с другом.
«Нам удалось показать, что у полученных частиц есть довольно большая нелинейность, — уточняет Василий Кравцов. — То есть поляритон может взаимодействовать с поляритоном, они могут рассеиваться друг на друге. Мы получили самые большие величины нелинейности для таких материалов.
Это напрямую приближает нас к созданию оптического транзистора: у нас есть планарная платформа, которую можно интегрировать в чип толщиной меньше 100 нанометров.
Поскольку показатели взаимодействия частиц большие, то нам не нужно устанавливать мощный лазер, достаточно небольшого источника красного света, который также можно интегрировать на чипе».
Впрочем, пока говорить о создании чипа рано, на очереди новые исследования. Ученым предстоит показать, что такая система работает при комнатной температуре, ведь пока эксперименты проводились при температурах ниже минус 120 градусов по Цельсию. Кроме того, необходимо еще больше продлить «жизнь» поляритонов в системе.
Лаборатория физико-технического факультета. Фото предоставлено физико-техническим факультетом
Статья: Vasily Kravtsov, Ekaterina Khestanova, Fedor A. Benimetskiy, Tatiana Ivanova, Anton K. Samusev, Ivan S. Sinev, Dmitry Pidgayko, Alexey M. Mozharov, Ivan S. Mukhin, Maksim S. Lozhkin, Yuri V. Kapitonov, Andrey S. Brichkin, Vladimir D. Kulakovskii, Ivan A.
Shelykh, Alexander I. Tartakovskii, Paul M. Walker, Maurice S. Skolnick, Dmitry N. Krizhanovskii & Ivan V.
Iorsh, «Nonlinear polaritons in a monolayer semiconductor coupled to optical bound states in the continuum», Light: Science & Applications volume 9, 2020
Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9333/
Фотоника vs Электроника: почему будущее за интеграцией технологий
Оптические компьютеры, медицинские сенсоры, плащи-невидимки — не все эти разработки, объединяющие метаматериалы и фотонику, приблизились к реальному применению. Особенно остро стоит вопрос с применением метаматериалов для увеличения мощностей вычислительных систем.
Несмотря на то, что интерес к таким исследованиям не ослабевает, ученые начинают обращать внимание и на другие возможности, в том числе, на создание гибридных систем электронных и оптических устройств.
О вызовах оптических наук и потенциале гибридных систем рассказал руководитель Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, профессор Университета Аризоны Ильдар Габитов, который принял участие в конференции «Фундаментальные проблемы оптики».
В какой области вы проводите научные исследования?
Начну с краткого описания исследований, проводимых в центре фотоники и квантовых материалов Сколтеха. В настоящее время функционируют лаборатории гибридной фотоники и низкоразмерных материалов, в стадии формирования — лаборатория плазмоники и метаматериалов.
В Сколтехе мы занимаемся исследованиями, относящимися как к области фундаментальных проблем фотоники и квантовой физики, так и их приложений. К ним относятся устройства на основе углеродных нанотрубок и графена, метаматериалы, квантовые вычислители, эффективные источники света, плазмонные волноводы с компенсацией потерь и многое другое.
Кроме того, в настоящее время совместно с Университетом ИТМО и в рамках Проекта 5−100 запускаем проект по совмещению квантовой коммуникации с быстрыми системами высокоскоростной передачи информации. Недостаток квантовой коммуникации в том, что она медленная, плюс состоит в том, что она абсолютно защищена природой от неавторизованного доступа.
В настоящее время достигнут колоссальный прогресс в создании систем, способных передавать громадные объемы информации. Проблема в том, как объединить одно с другим, и именно на это направлен проект.
Мои научные интересы сосредоточены на проблемах высокоскоростной передачи информации на большие расстояния, где очень важны нелинейные эффекты, а также на изучении нелинейных свойств метаматериалов. В последнее время совместно с коллегами мы работаем над изучением поверхностных явлений на границе раздела метаматериал-диэлектрик, включая топологические изоляторы.
Для многих людей непонятно, почему для управления светом используются метаматериалы, но об этом много говорят, будто мы достигли предела в развитии наук об оптике?
В течение последнего десятилетия научная общественность находится в ожидании практического прогресса в области метаматериалов. Однако, несмотря на отдельные успехи, существенные практические результаты прорывного характера пока не достигнуты.
Наибольших успехов удалось достигнуть в области применения метаматериалов в области сенсорики, в том числе и для оптико-акустической визуализации биологических объектов, когда металлические наночастицы внедряются в ткани и «подсвечивают» их под воздействием ультразвуковых акустических колебаний.
О клиническом применении этого метода говорить еще рано, но это очень перспективная разработка.
Диэлектрический метаматериал изготовленный методом фотополимерной 3D печати. Источник: photonics.ifmo.ru
Почему к метаматериалам возник большой интерес? Когда электрический кабель заменили на оптоволокно, стало возможным передавать огромные объемы данных — произошла революция в области передачи информации. Однако технологии ее обработки остались прежними и колоссальным образом «отстали» от технологии передачи информации.
Долгое время ученые пытались устранить это несоответствие и изобрести для этого оптические технологии обработки информации. Решение этой задачи оказалось очень серьезной проблемой. Носителем информации в электроники являются электроны. Они имеют заряд, и ими можно управлять электрическим или магнитным полем.
Фотоны, используемые в оптических устройствах нейтральны, поэтому управлять ими, как прежде, не представляется возможным. Появление метаматериалов давало надежду на возможность управления такими свойствами, как коэффициент преломления, что, в свою очередь, позволило бы манипулировать световыми потоками.
Эта надежда стала важным, но не единственным мотивом, стимулировавшим взрывной интерес к этой области. Однако, несмотря на значительные усилия, эта задача до сих пор не решена.
Сейчас ученые начинают работать в другом направлении: пытаются создать совместимые технологии, которые бы позволили осуществить гибридизацию высокой степени интеграции элементов электроники и фотоники.
Каково же будущее метаматериалов?
В настоящее время метаматериалы по-прежнему широко изучаются, но основные достижения заметны в микроволновом диапазоне, а не в оптическом.
Относительно высокий темп исследований сохраняется в области разработки сенсоров, биомедицинских приложений, визуализации, оптических межсоединений.
В каком-то смысле широкий интерес к метаматериалам начинает постепенно снижаться, поскольку ярких практических результатов после их открытия пока не последовало.
Поэтому отцы-основатели, в свое время номинированные на Нобелевскую премию за исследования в области метаматериалов, премию пока не получили. Это, видимо, правильное и продуманное решение комитета, поскольку до сих пор ждет своего решения проблема определения лауреата за создание оптического волокна, совершившего революцию в современных информационных технологиях.
Вы сказали о совмещении технологий оптики и электроники. Какие самые актуальные разработки в этой области?
А заметных достижений здесь пока и нет. В электронике одно из самых значительных достижений состоит в том, что она может быть напечатана. Оптику печатать пока не научились. Кроме того, важно, чтобы изобретаемые устройства были надежны и удобны в использовании.
Почему мобильный телефон так популярен? Он надежен, многофункционален и компактен. На заре электроники появились электронные лампы, затем транзисторы, потом микросхемы, микрочипы, и каждый раз эти устройства становились меньше. Этот процесс сопровождался увеличением степени интеграции устройств электроники.
В телефоне примерно миллиард транзисторов. Если бы это были лампы, то они бы заняли два квартала, потребляли бы огромные объемы энергии и постоянно перегорали.
Таким образом, количественные изменения элементов электроники в процессорах привели к качественным изменениям надежности, компактности и самое главное -к таким функциональным возможностям, которые лет 15 назад мы не могли себе представить. Однако эта технология не может развиваться далее, как раньше.
Современные технологии работают на масштабах, равных примерно семи нанометрам. В этом случае возникает множество ограничивающих факторов, таких как значительное выделение тепла в единице объема, на элементарную логическую операцию уже приходится только один электрон (дальше некуда), заряд легко стекает с носителей такого малого размера.
Серьезная проблема — соединительные провода, вносящие паразитные потери емкости и индуктивности. Большие надежды в решении этой проблемы возлагали на оптику. Совершенно ясно, какое огромное значение имеет развитие технологии оптических устройств высокой степени интеграции.
Вспоминая пример с мобильными телефонами, сегодня мы не можем даже представить функциональные возможности устройств на их основе. Длина световой волны в телекоммуникационном диапазоне — 1500 нанометров. Вспомним, что электроны сегодня «работают» на уровне семи нанометров! По этой причине реализация оптических устройств высокой степени интеграции, сравнимой с устройствами электроники, весьма проблематична.
Источник: depositphotos.com
Кроме того, печатать фотонные устройства и управлять фотонами также пока весьма затруднительно. Именно поэтому сейчас популярна тема гибридных систем. В этой области есть продвижения, но они реализованы в виде устройств, лежащих на столах исследователей. Это пока не технология — ее нельзя напечатать в массовом порядке.
Какие свойства будут у новых гибридных систем?
Пока мы даже не можем представить, какой функционал получим у фотонного устройства высокой степени надежности и интеграции — точно так же мы не знали о функционале мобильных телефонов 15 лет назад. Пока бессмысленно говорить что-то конкретное по этому вопросу.
В любом случае, гибридные системы должны стать эффективнее существующих. Но прежде нужно справиться с большим количеством вызовов. Например, как соединить фотонные элементы между собой? Транзисторы можно соединить, грубо говоря, проволокой.
А как мы соединим новые оптические элементы, чтобы система работала безупречно даже при наличии некоторого процента сбоев в логических операциях? Я пока не знаю.
В каких еще областях будет развиваться оптика?
Еще одно новое направление — это так называемое Brain Photonics. Это попытки воздействовать на мозг очень тонкими оптоволоконными устройствами, которые возбуждают определенные участки мозга.
Эти исследования направлены прежде всего на получение новых знаний о работе органа. Актуальны разработки в области биоинформатики, в том числе, по воздействию на биологические ткани с помощью фотонных устройств.
Благодаря этому ученые уже сегодня могут проводить некоторые манипуляции с ДНК. Я уверен, что это направление работы очень перспективно.
Оптический компьютер. Когда свет — будущее электроники
Последние 4 десятилетия электронная индустрия развивается по так называемому «закону Мура», который гласит, что мощность вычислительных процессоров увеличивается вдвое каждые два года.
Во время своей работы в компании Intel один из ее основателей Гордон Мур пришел к выводу, что количество транзисторов, которая промышленность способна уместить на кристалле процессора, будет возрастать вдвое каждые 24 месяца.
И, как мы видим, нечто подобное действительно происходит: компьютеры и телефоны, казавшиеся мощными еще несколько лет назад, по сравнению с последними новинками уже выглядят устаревшими. А производители тем временем представляют все новые микропроцессоры, способные совершать еще больше операций в единицу времени.
Транзисторы – эти крошечные полупроводники – основа любой современной техники. Каждый год они становятся все меньше и энергоэффективнее. Но должен же быть какой-то предел их уменьшения? Да, и мы приблизились к нему очень близко.
Современный транзистор состоит из двух полупроводников с избытком электронов и находящимся между ними полупроводником с недостатком электронов. Над ними установлены управляющий затвор и плавающий затвор, изолированный диэлектриком. При подаче на управляющий затвор напряжения на плавающий затвор благодаря туннельному эффекту перейдет часть электронов.
Плавающий затвор, получивший отрицательный заряд от «посаженных» на него электронов, будет мешать проводить ток через транзистор. В этом случае транзистор будет иметь значение «1». Большую роль при этом играет размер управляющего затвора.
Если он будет меньше 5 нм (нанометров), то с плавающего затвора благодаря все тому же туннельному эффекту будет наблюдаться утечка электронов, и транзистор перестанет работать правильно.
В современных процессорах используются транзисторы с управляющим затвором около 20 нм, и ученые ищут пути их уменьшения до 5 нм.
| Это интересно: толщина человеческого волоса составляет около 70 000 нанометров. |
Возможно, из-за использования более эффективных материалов и диэлектриков ученым удастся еще какое-то время наращивать вычислительную мощность процессоров, но рано или поздно электронные вычислительные системы достигнут своей максимальной мощности.
Но уже сейчас специалисты знают, как увеличить их производительность: использовать для вычислений не поток электронов, а свет – поток фотонов.
Основное преимущество использования фотонов заключается в том, что большая частота волн оптического диапазона позволит достигнуть высокой степени параллелизации передачи и обработки данных.
Кроме того, скорость распространения фотонов будет практически равна скорости света, что будет превосходить скорость распространения сигналов в обычном проводе, где из-за сопротивления самого материала и трения возникает потеря энергии. И конечно же, такой системе не станут помехой сколь-либо сильные электромагнитные поля.
Идея создания процессора, получившего название «оптический», появилась достаточно давно – в 80-х годах, когда промышленность еще даже не помышляла о том, что через пару десятилетий производительность электронных процессоров достигнет своего предела. В те времена оптический процессор воспринимался как альтернативный и просто интересный вариант замены обычному электронному процессору. Но теперь становится понятно, что именно оптические компьютеры – наше будущее.
В таком компьютере вычисления будут производиться при помощи фотонов, сгенерированных миниатюрными лазерами, и распространяющихся по чипу при помощи системы отражателей. Для сохранения современной логики вычислений в оптическом процессоре ученым необходимо воссоздать фундаментальный элемент — оптический транзистор.
В настоящее время исследовательские группы различных стран предлагают свои варианты оптических транзисторов, которые могли бы менять свои свойства при воздействии на них светом. Однако пока что многие из них требуют для своей работы слишком большую интенсивность поступающего светового сигнала, что ведет к повышенным энергозатратам.
Кроме того, сами компоненты оптического процессора пока не удается сделать достаточно миниатюрными, чтобы сравниться с компактностью кремниевых процессоров. Дело в том, что любая элементарная частица в то же время представляет собой волну и передвигается в пространстве как волна.
Минимальный размер волновода для фотона составляет 600 нм, что, конечно же, очень много.
Ученые предлагают решить эту проблему при помощи так называемых плазмонных сигналов – проецирования частоту колебания световой волны в колебание электронов на поверхности металла, что позволяет сделать оптическую систему в десятки раз меньше, сохраняя ее преимущества. В настоящее время ведется поиск оптимального для воплощения этой идеи в жизнь материала.
Итак, мы видим, что создание оптического компьютера – необыкновенно сложная и дорогая задача. Тем не менее, человечеству в будущем непременно понадобятся вычислительные системы, способные обрабатывать за короткие отрезки времени гигантское количество информации, и оптический компьютер – главный кандидат.
Иллюстрация: depositphotos | © Sarunyu_foto
Физики из России создали световой транзистор, не требующий охлаждения
МОСКВА, 20 июн – РИА Новости. Ученые из «Сколтеха» и их коллеги из фирмы IBM создали первый оптический транзистор, способный работать на частоте в два терагерц и при этом не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля. Его описание и результаты первых опытов были опубликованы в журнале Nature Photonics.
«Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой члены нашей группы трудились днем и ночью.
Думаю, фотонные процессоры, работающие со скоростью света, станут для нас такой же реальностью, какой сегодня для нас является оптическая связь», — заявили российские ученые, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Все современные компьютеры состоят из миллионов и миллиардов микроскопических транзисторов – устройств, избирательно пропускающих электрический ток. Как правило, при уменьшении размеров транзисторов сила побочных эффектов, мешающих их работе, возрастает, что мешает созданию все более небольших и быстрых вычислительных приборов.
Эти утечки накладывают фундаментальный предел на размеры транзисторов – как сегодня считают многие физики и инженеры, кремниевые транзисторы толщиной меньше, чем в пять нанометров, принципиально невозможно создать.
Поэтому инженеры и ученые сегодня пытаются заменить кремний на альтернативные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена, или принципиально отказываются от самой электроники и переходят на иные способы передачи сигнала – при помощи света, спинов частиц или каких-то других «носителей информации».
Для перехода к «световым вычислениям» необходимо несколько важнейших ключевых технологий — световой аналог транзистора, способный избирательно пропускать или задерживать фотоны, а так же расщепитель, способный разбивать луч на две части и удалять ненужные компоненты света.
Прототипы таких приборов уже существуют, однако у всех них есть большая проблема. По своим размерам они напоминают гигантские по современным меркам транзисторы 60 годов прошлого века, когда человечество делало только первые шаги в «компьютерный век». Миниатюризация подобных расщепителей и транзисторов, как показала практика, является крайне нетривиальной задачей.
Антон Заседателев, Павлос Лагудакис и Антон Бараников из лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха», а также их зарубежные коллеги, сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать в тысячи раз быстрее, чем его электронные аналоги.
Когда ученые начали разрабатывать световые компьютеры, они быстро столкнулись с фундаментальной проблемой – частицы света фактически не взаимодействуют между собой и их движением крайне сложно управлять.
Эти сложности, как недавно выяснили российские и зарубежные физики, можно решить при помощи так называемых поляритонов. Они представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица.
Поляритон состоит из трех компонентов — оптического резонатора, в роли которого обычно выступает набор из двух зеркал-отражателей, заточенной между ними световой волны и квантового колодца. В его роли выступает атом и вращающийся вокруг него электрон, который периодически поглощает и испускает квант света.
Эти квазичастицы, как показали первые опыты с ними, можно использовать для создания транзисторов и другой управляющей логики световых компьютеров, однако у всех прототипов подобных устройств был один общий недостаток – они работали только при температурах, близких к абсолютному нулю.
Физики из «Сколтеха» и их европейские коллеги решили эту проблему, научившись создавать поляритоны не в кремнии или других «классических» полупроводниках, а в их органических аналогах, сохраняющих нужные свойства и при комнатных температурах.
На эту роль, как показали опыты ученых, подходит полипарафенилен (MeLPPP), недавно открытый полимерный материал, аналоги которого сегодня применяются при производстве кевлара и различных красителей.
Молекулы этого вещества оказались устроены таким образом, что даже при высоких температурах внутри него возникают особые зоны, способные играть роль квантового колодца в классических поляритонах.
Вставив пленку из этого полимера в своеобразный «бутерброд» из нескольких неорганических материалов, физики научились управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать частицы света, используя два разных типа лазеров. Как показали опыты с прототипом такого транзистора, он способен не только переключаться с рекордно высокой скоростью, но и усиливать световой сигнал и при этом тратить минимальное количество энергии.
Используя три подобных транзистора, ученые уже собрали первые прототипы световых логических устройств, способных исполнять операции И и ИЛИ. Их успешная реализация, как считают ученые, открывает дорогу для создания компактных, быстрых и при этом очень экономных световых компьютеров.