Процессор из света? Да, он существует, работает при 25°C и обгоняет кремний на два порядка по скорости

Учёные из Сколтеха и Университета Вупперталя (Германия) показали, что созданный ранее в Сколтехе универсальный оптический логический элемент может работать со скоростью 240 гигагерц при комнатной температуре. Это достижение стало возможным благодаря использованию конденсатов поляритонов — экзотических квазичастиц, сочетающих свойства света и вещества.

В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review B, авторы также исследовали, что ограничивает скорость смены логических состояний в таких устройствах. Особое внимание они уделили так называемому бимолекулярному гашению — процессу, который играет ключевую роль в ограничении частоты работы не только поляритонных транзисторов, но и классических электронных.

Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, лауреата научной премии «Вызов» и вице-президента Сколтеха по фундаментальным исследованиям, уже несколько лет разрабатывает подходы к ускорению вычислений за счёт перехода от электронных компонентов к оптическим. Световые системы потенциально способны работать в тысячи раз быстрее своих электронных аналогов и при этом не перегреваются, что делает их особенно привлекательными для построения будущих компьютеров.

Ранее команда уже представила оптический логический элемент типа NOR — он совмещает в себе логические операции «НЕ» и «ИЛИ», обладает несколькими входами и полностью построен на поляритонных конденсатах. Это означает, что он работает без электрического тока и может быть масштабирован в полноценные схемы. Такие логические элементы, по расчётам, способны функционировать на сотни порядков быстрее, чем традиционные транзисторы.

Однако ключевым ограничением остаётся необходимость чётко различать логические состояния «0» и «1» между последовательными импульсами. Остаточные поляритоны от предыдущего сигнала могут мешать распознаванию следующего, усиливая его или создавая помехи. Именно поэтому важно учитывать эффекты, вроде бимолекулярного гашения и зависимости потерь от импульсного импульса.

«Наше исследование показало, что логический элемент действительно может работать на частоте 240 ГГц. Мы также описали влияние бимолекулярного гашения, которое следует обязательно учитывать при расчётах, так как оно ограничивает максимальную тактовую частоту устройства», — рассказал Михаил Мисько, аспирант программы по физике в Сколтехе и ведущий автор исследования.

Авторы предложили теоретическую модель, учитывающую потери, зависящие от импульсного вектора, и продемонстрировали, что она хорошо согласуется с результатами экспериментов. Для оптимальной работы, отмечают учёные, длительность управляющих импульсов должна быть меньше, чем характерное время ключевых процессов, определяющих динамику поляритонов.

Это исследование — важный шаг на пути к созданию оптических компьютеров, которые смогут выполнять вычисления в сотни раз быстрее современных устройств и, возможно, станут основой будущих технологий.