Tranzystor optyczny to już nie tylko naukowa fikcja

Wykorzystanie elementów optycznych w systemach elektronicznych niejest niczym nowym – elektrooptyczne komputery NASA próbowałakonstruować już w latach 90, a na przełomie stuleci fotonika byłajuż wielomiliardowym biznesem. Mimo jednak daleko posuniętych practeoretycznych nad konstrukcjami czysto optycznych komputerów,większość praktycznych wysiłków była skierowana na budowęfotonicznych zamienników dla elektronicznych części, łatwiejszych dointegracji z istniejącymi rozwiązaniami sprzętowymi, choć oczywiściedaleko mniej efektywnymi, niż w teorii mógłby być fotonowy komputer.Hybrydowe rozwiązania skazane były na konieczność wielokrotnegoprzekształcania danych z postaci elektrycznej na świetlną i viceversa, spowalniając ich przetwarzanie i powodując znaczne stratyenergii. Na drodze do zbudowania w pełni optycznego komputera stałajedna rzecz – niemożliwość zbudowania optycznego tranzystora.Uważano, że do zbudowania optycznego tranzystora potrzebne sąmetamateriały o nieliniowym współczynniku załamania światła, umożliwiającekontrolowanie optycznych własności ośrodka, na przykład powiązaniaintensywności światła trafiającego do ośrodka z intensywnościąświatła przechodzącego przez ośrodek, tak jak jest to z napięciem wklasycznym tranzystorze elektronicznym. Z takich optycznychtranzystorów można byłoby już budować podstawowe bramki logiczne. Cojednak dalej? Układy fotoniczne przynoszą cały zbiór problemówniespotykanych w elektronice – np. wysoki poziom szumuśrutowego, zmuszający do zastosowania na krótszych dystansachwiększej energii do przeniesienia informacji, czy też wymuszone przezsłabość interakcji sygnałów propagowanych przez faleelektromagnetyczne podczas procesu obliczeniowego stosunkowo dużerozmiary elementów fotonicznych.[img=lasery_opener]Przeszkody stojące na drodze do budowy optycznego tranzystoraudało się obejść międzynarodowemu zespołowi fizyków z USA, Austrii iJaponii pod przewodnictwem profesora Vladana Vuletića. Opublikowanyprzez nich w ostatnim wydaniu magazynu Science artykuł All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photonopisuje praktyczną realizację optycznego przełącznika, kontrolowanegoprzez pojedynczy foton. Jego sercem jest para luster o wysokimwspółczynniku odbicia, tworzących wnękęrezonansową, przez które przepuszcza się wiązkę światła.Jak wyjaśnia Vuletić, mamy tu do czynienia z klasycznym dualizmemkorpuskularno-falowym: w opisie cząsteczkowym, fotony zostająpowstrzymane przez pierwsze lustro, podczas gdy w opisie falowympowstaje pole elektromagnetyczne, obejmujące przestrzeń międzylustrami. Jeśli odległość obu luster zostanie dostrojona do długościfali, to wówczas we wnęce pole to kasuje pole powstałe w wynikuodbicia – a one stają się wówczas przezroczyste dla światła.Oczywiście same lustra nie wystarczą; między nimi znajduje się gazzłożony ze schłodzonych atomów cezu. Cechuje je posiadanie dwóchbliskich stanów podstawowych i powiązanych z nimi dwóch stanówwzbudzonych. Stany te oddzielone są od siebie energią odpowiadającąokreślonej długości fali. Normalnie gaz jest dla światłaprzechodzącego przez oba lustra całkowicie przezroczysty (jako żeznajduje się w swoim najniższym stanie podstawowym), jeśli jednak zapomocą lasera działającego na odpowiedniej długości fali dostarczonyzostanie foton o odpowiedniej energii, właściwości wypełniającegownękę gazu zostaną w procesie wzbudzenia kolektywnego zmienione tak,że światło nie może go już przeniknąć, zostaje odbite. Przełączaniepomiędzy stanami takiego optycznego tranzystora odbywa się więc przezprzełączanie gazu pomiędzy jego stanami podstawowymi i wzbudzonymi. Efektywność nie jest duża – autorzy informują, że łącznypoziom przechowania i odzyskania fotonów z układu nie przekroczył 3%,ale podkreślają, że nie korzystali w swoim eksperymencie z żadnychwyrafinowanych technik, takich jak schładzanie atomów do temperaturbliskich zera absolutnego czy jednofotonowych źródeł światła. Samakonstrukcja też oczywiście nie będzie zamiennikiem dla klasycznychtranzystorów – trudno oczekiwać, by na naszych biurkachwylądowały wypełnione atomowym gazem wnęki rezonansowe z systememlaserów, ale według Vuletića, podobne urządzenie można by byłozbudować w fazie stałej, np. z wykorzystaniem zanieczyszczonychodpowiednimi atomami włóknach optycznych, czy budowaniumikroskopijnych wnęk w półprzewodnikach, wypełnionych kropkąkwantową, zachowującą się jak sztuczny atom.Co najistotniejsze, optyczne tranzystory przybliżają realizacjęprawdziwie kwantowych komputerów. Budowane dziś prototypy układówkwantowych, wykorzystujące rezonans magnetyczny i laseroweschładzanie cząsteczek, charakteryzują się wysoką niestabilnościąkubitów – ich utrzymanie w superpozycji jest bardzo trudne. Owiele łatwiej utrzymać superpozycję dla fotonów, a więc sterowanypojedynczym fotonem przełącznik pozwalałby na budowę całych macierzyoptycznych obwodów: jeśli foton sterujący jest tu, światło zostajeodbite, jeśli fotonu nie ma, światło zostaje przepuszczone. Jeśliwięc miałoby się zestawić superpozycję stanów fotonu obecnego inieobecnego, uzyskalibyśmy makroskopową superpozycję światłajednocześnie przepuszczonego i odbitego –tłumaczy Vuletić.Inne korzyści z takiegourządzenia to detektor, który pozwalałby na rejestrowanie fotonów bezniszczenia ich, czy filtr szumów kwantowych, analogiczny dotranzystorowych filtrów, używanych dziś w elektronice –umożliwić by on miał tworzenie stanów kwantowych nieosiągalnych winny sposób.