Фотонные чипы давно обещали революцию. Одна проблема мешала 80 лет. Похоже, её только что решили
вазичастицы экситон-поляритоны помогли выполнить оптическое переключение почти без потерь энергии.
Восемьдесят лет назад инженеры Пенсильванского университета Джон Преспер Эккерт и Джон Мокли запустили эпоху электронных вычислений, создав ENIAC, первый в мире электронный компьютер общего назначения. Машина решала сложные численные задачи с помощью электронов, и та же логика до сих пор лежит в основе большинства вычислительных систем. Но у электронов есть физический предел: заряд заставляет их терять энергию в виде тепла, сталкиваться с сопротивлением в материалах и всё сложнее уживаться в микросхемах, где растёт число транзисторов и объём данных.
На фоне бума искусственного интеллекта физики из Пенсильванского университета под руководством Бо Чжэня решили переложить часть вычислительной нагрузки на фотоны. Световые частицы не имеют электрического заряда и массы покоя, поэтому быстро переносят информацию на большие расстояния с минимальными потерями. Благодаря такому свойству фотоны уже доминируют в коммуникационных технологиях. У фотонов есть и слабое место: нейтральность мешает свету эффективно взаимодействовать с окружающей средой, а без сильного взаимодействия трудно строить переключатели сигналов, на которых держится логика компьютеров.
Команда Чжэня предложила обойти ограничение с помощью экситон-поляритонов. Такие квазичастицы возникают, когда фотоны связываются с электронами в атомарно тонком полупроводнике. В результате исследователи получили гибридную систему, где свет сохраняет скорость, но начинает взаимодействовать с веществом достаточно сильно для переключения сигналов.
Для фотонных чипов, ориентированных на искусственный интеллект, такой подход может стать особенно важным. Многие световые ИИ-чипы уже умеют выполнять простые вычисления, но для нелинейных операций, например применения правил принятия решений в нейросетях, световые сигналы обычно приходится снова переводить в электронную форму. Постоянные преобразования замедляют работу и съедают энергетический выигрыш, ради которого фотонные вычисления вообще развивают.
В работе, опубликованной в Physical Review Letters, команда показала полностью оптическое переключение с энергией около 4 квадриллионных долей джоуля. Такой расход энергии намного меньше, чем требуется для краткого включения крошечного светодиода.
Если платформу удастся масштабировать, фотонные чипы смогут обрабатывать световые данные напрямую с камер, снизить энергопотребление крупных ИИ-систем и приблизить появление базовых квантовых вычислительных функций на микросхемах.