r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Tranzystor optyczny to już nie tylko naukowa fikcja

Strona główna AktualnościSPRZĘT

Wykorzystanie elementów optycznych w systemach elektronicznych nie jest niczym nowym – elektrooptyczne komputery NASA próbowała konstruować już w latach 90, a na przełomie stuleci fotonika była już wielomiliardowym biznesem. Mimo jednak daleko posuniętych prac teoretycznych nad konstrukcjami czysto optycznych komputerów, większość praktycznych wysiłków była skierowana na budowę fotonicznych zamienników dla elektronicznych części, łatwiejszych do integracji z istniejącymi rozwiązaniami sprzętowymi, choć oczywiście daleko mniej efektywnymi, niż w teorii mógłby być fotonowy komputer. Hybrydowe rozwiązania skazane były na konieczność wielokrotnego przekształcania danych z postaci elektrycznej na świetlną i vice versa, spowalniając ich przetwarzanie i powodując znaczne straty energii. Na drodze do zbudowania w pełni optycznego komputera stała jedna rzecz – niemożliwość zbudowania optycznego tranzystora.

Uważano, że do zbudowania optycznego tranzystora potrzebne są metamateriały o nieliniowym współczynniku załamania światła, umożliwiające kontrolowanie optycznych własności ośrodka, na przykład powiązania intensywności światła trafiającego do ośrodka z intensywnością światła przechodzącego przez ośrodek, tak jak jest to z napięciem w klasycznym tranzystorze elektronicznym. Z takich optycznych tranzystorów można byłoby już budować podstawowe bramki logiczne. Co jednak dalej? Układy fotoniczne przynoszą cały zbiór problemów niespotykanych w elektronice – np. wysoki poziom szumu śrutowego, zmuszający do zastosowania na krótszych dystansach większej energii do przeniesienia informacji, czy też wymuszone przez słabość interakcji sygnałów propagowanych przez fale elektromagnetyczne podczas procesu obliczeniowego stosunkowo duże rozmiary elementów fotonicznych.

Przeszkody stojące na drodze do budowy optycznego tranzystora udało się obejść międzynarodowemu zespołowi fizyków z USA, Austrii i Japonii pod przewodnictwem profesora Vladana Vuletića. Opublikowany przez nich w ostatnim wydaniu magazynu Science artykuł All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon opisuje praktyczną realizację optycznego przełącznika, kontrolowanego przez pojedynczy foton. Jego sercem jest para luster o wysokim współczynniku odbicia, tworzących wnękę rezonansową, przez które przepuszcza się wiązkę światła.

Jak wyjaśnia Vuletić, mamy tu do czynienia z klasycznym dualizmem korpuskularno-falowym: w opisie cząsteczkowym, fotony zostają powstrzymane przez pierwsze lustro, podczas gdy w opisie falowym powstaje pole elektromagnetyczne, obejmujące przestrzeń między lustrami. Jeśli odległość obu luster zostanie dostrojona do długości fali, to wówczas we wnęce pole to kasuje pole powstałe w wyniku odbicia – a one stają się wówczas przezroczyste dla światła.

Oczywiście same lustra nie wystarczą; między nimi znajduje się gaz złożony ze schłodzonych atomów cezu. Cechuje je posiadanie dwóch bliskich stanów podstawowych i powiązanych z nimi dwóch stanów wzbudzonych. Stany te oddzielone są od siebie energią odpowiadającą określonej długości fali. Normalnie gaz jest dla światła przechodzącego przez oba lustra całkowicie przezroczysty (jako że znajduje się w swoim najniższym stanie podstawowym), jeśli jednak za pomocą lasera działającego na odpowiedniej długości fali dostarczony zostanie foton o odpowiedniej energii, właściwości wypełniającego wnękę gazu zostaną w procesie wzbudzenia kolektywnego zmienione tak, że światło nie może go już przeniknąć, zostaje odbite. Przełączanie pomiędzy stanami takiego optycznego tranzystora odbywa się więc przez przełączanie gazu pomiędzy jego stanami podstawowymi i wzbudzonymi.

Efektywność nie jest duża – autorzy informują, że łączny poziom przechowania i odzyskania fotonów z układu nie przekroczył 3%, ale podkreślają, że nie korzystali w swoim eksperymencie z żadnych wyrafinowanych technik, takich jak schładzanie atomów do temperatur bliskich zera absolutnego czy jednofotonowych źródeł światła. Sama konstrukcja też oczywiście nie będzie zamiennikiem dla klasycznych tranzystorów – trudno oczekiwać, by na naszych biurkach wylądowały wypełnione atomowym gazem wnęki rezonansowe z systemem laserów, ale według Vuletića, podobne urządzenie można by było zbudować w fazie stałej, np. z wykorzystaniem zanieczyszczonych odpowiednimi atomami włóknach optycznych, czy budowaniu mikroskopijnych wnęk w półprzewodnikach, wypełnionych kropką kwantową, zachowującą się jak sztuczny atom.

Co najistotniejsze, optyczne tranzystory przybliżają realizację prawdziwie kwantowych komputerów. Budowane dziś prototypy układów kwantowych, wykorzystujące rezonans magnetyczny i laserowe schładzanie cząsteczek, charakteryzują się wysoką niestabilnością kubitów – ich utrzymanie w superpozycji jest bardzo trudne. O wiele łatwiej utrzymać superpozycję dla fotonów, a więc sterowany pojedynczym fotonem przełącznik pozwalałby na budowę całych macierzy optycznych obwodów: jeśli foton sterujący jest tu, światło zostaje odbite, jeśli fotonu nie ma, światło zostaje przepuszczone. Jeśli więc miałoby się zestawić superpozycję stanów fotonu obecnego i nieobecnego, uzyskalibyśmy makroskopową superpozycję światła jednocześnie przepuszczonego i odbitego – tłumaczy Vuletić.

Inne korzyści z takiego urządzenia to detektor, który pozwalałby na rejestrowanie fotonów bez niszczenia ich, czy filtr szumów kwantowych, analogiczny do tranzystorowych filtrów, używanych dziś w elektronice – umożliwić by on miał tworzenie stanów kwantowych nieosiągalnych w inny sposób.

r   e   k   l   a   m   a
© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.