Kesän aikaisia fotoniikkauutisia

Monien tutkijoiden tavoitteena on hyödyntää fotoniikan etuja tulevaisuuden tietotekniikan vauhdittamiseksi. Työ onkin viime aikoina tuottanut monenlaisia oivalluksia asian edistämiseksi.

Tiedemiehet ovat keksineet muun muassa "kvanttihuilun", joka voi saada valohiukkaset liikkumaan yhdessä

Luonnossa fotonit eivät juuri koskaan ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa mutta Chicagon yliopiston fyysikot ovat keksineet "kvanttihuilun", joka voi pakottaa valohiukkaset liikkumaan yhdessä tavalla, jota ei ole koskaan ennen nähty.

Läpimurto voisi osoittaa tietä kohti kvanttimuisteja tai uusia virheenkorjausmuotoja kvanttitietokoneissa.

Professori David Schusterin laboratoriossa suunnittelema järjestelmä koostuu pitkästä ontelosta joka on suunniteltu vangitsemaan fotoneja mikroaaltotaajuuksilla.

Oudoin asia tässä oli kuitenkin tapa, jolla fotonit käyttäytyivät yhdessä.

Schuster kertoo, että. "Aluksi fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa lainkaan, mutta kun järjestelmän kokonaisenergia saavuttaa käännepisteen, yhtäkkiä ne kaikki ”puhuvat” keskenään."

Tässä järjestelmässä kaikki fotonit ovat vuorovaikutuksessa samaan aikaan ja tutkija hahmottelevat käyttävänsä ilmiötä kubittien ohjailuun ja sellaisten kvantti-ilmiöiden havainnointia, jollaista ei voida nähdä luonnossa..

Yksinapaisia laserpulsseja

Regensburgin ja Michiganin yliopistojen tutkijoiden vetämässä tutkimuksessa on tuotettu laserpulssi, joka ohittaa valoaaltojen luontaisen symmetrian.

Vaikka laserpulsseja voidaan käyttää kubittien energiatilojen manipuloimiseen, erilaiset laskentatavat ovat mahdollisia, jos kvantti-informaation koodaamiseen käytettäviä varauksenkuljettajia voitaisiin siirtää ympäriinsä – mukaan lukien huonelämpötilainen lähestymistapa.

Terahertsivalo värähtelee kvanttilaskennassa tarvittavalla nopeudella mutta aallon muoto on ongelma. Sähkömagneettiset aallot ovat positiivisia ja negatiivisia värähtelyjä, jotka summautuvat nollaksi.

Positiivinen sykli voi siirtää varauksenkantajia, kuten elektroneja. Mutta sitten negatiivinen sykli vetää varaukset takaisin sinne, mistä ne lähtivät. Kvantti-informaation luotettavaksi ohjaamiseksi tarvitaan epäsymmetrinen valoaalto.

"Optimi olisi täysin suunnattu, yksinapainen "aalto". Se olisi unelma. Mutta todellisuus on, että etenevien valokenttien on värähdeltävä, joten yritämme tehdä värähtelyistä niin pieniä kuin pystymme", sanoi Mackillo Kira tutkimuksen teoriaosien johtaja.

He loivat tehokkaan unipolaarisen aallon, jossa oli erittäin terävä, korkean amplitudin positiivinen huippu, jota reunusti kaksi pitkää, matalan amplitudin negatiivista huippua. Tämä tekee positiivisesta huipusta riittävän voimakkaan siirtämään varauksenkuljettajia, kun taas negatiiviset huiput ovat liian pieniä, jotta niillä olisi paljon vaikutusta.

He tekivät tämän suunnittelemalla huolellisesti galliumarsenidipuolijohteen nanolevyjä suunnittelemaan terahertsiemissio elektronien ja aukkojen liikkeen kautta.

Seuraavaksi ryhmä aikoo käyttää näitä pulsseja manipuloidakseen pelkkiä elektroneja huoneenlämpöisissä kvanttimateriaaleissa ja tutkiakseen mekanismeja kvantti-informaation käsittelyyn. Pulsseja voitaisiin käyttää myös tavanomaisen informaation ultranopeaan käsittelyyn.

Energiatehokkaampia optisia kytkimiä

Washingtonin yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä raportoi kehittäneensä energiatehokkaan, piipohjaisen haihtumattoman kytkimen, joka manipuloi valoa käyttämällä vaihemuutosmateriaalia ja grafeenilämmitintä.

"Tämä alusta todella siirtää energiatehokkuuden rajoja", sanoo vastaava kirjoittaja Arka Majumdar.

Piifotonikytkimiä käytetään laajalti osittain siksi, että ne voidaan valmistaa vakiintuneilla valmistustekniikoilla. Perinteisesti näissä kytkimissä käytetään lämpöä muuttamaan kytkimessä olevan materiaalin optisia ominaisuuksia ja siten valon reittiä.

Tämä prosessi ei kuitenkaan ole energiatehokas, eikä sen aiheuttamat muutokset ole pysyviä. Tämän ratkaisemiseksi tiimi, loi "aseta ja unohda" -kytkimen, joka pystyy ylläpitämään yhteyttä ilman lisäenergiaa.

He käyttivät faasinmuutosmateriaalia, joka on haihtumatonta, eli materiaali muunnetaan sitä lyhyesti kuumentamalla, ja se pysyy tässä tilassa, kunnes se vastaanottaa toisen lämpöpulssin, jolloin se palaa takaisin alkuperäiseen tilaansa.

Uuden kokoonpanon kytkentäenergiatiheys on 70-kertaa pienempi verrattuna laajalti käytettyihin seostetun piin lämmittimiin perustuvaan tekniikkaan.

Kiinalaiset tutkijat ovat kokeellisesti todistaneet, että enemmän valotaajuuksia voi kulkea kahden aaltomaisesti vierekkäin kytketyn aaltoputken välillä kuin kahden vastaavasti kytketyn suoran aaltoputken välillä. Työ osoitti häviöttömästi kytkettyjä aaltoputkia, jotka toimivat laajalla aallonpituusalueella.

Caltechin tutkijat ovat puolestaan kehittäneet femtojouleilla ja femtosekuntien nopeuksilla toimivan täysoptisen kytkimen litiumniobaatista nanofotoniikkaa ajatellen.

Laserpurskeet ohjaavat kaikkien aikojen nopeimpia logiikkaportteja

Lupaava tapa parantaa tiedonkäsittelyn nopeutta on käyttää laservaloa ohjaamaan elektronien liikettä aineessa ja sitten tämän ohjauksen käyttäminen elektronisten piirielementtien kehittämiseen - tämä käsite tunnetaan valoaaltoelektroniikkana.

Laserit antavat tällä hetkellä mahdollisuuden tuottaa sähköpurskeita femtosekuntien aikaskaalalla mutta kyky käsitellä informaatiota näillä erittäin nopeilla aikaskaaloilla on jäänyt haaveeksi.

>Nyt Rochesterin yliopiston ja Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergin (FAU) tutkijat ovat ottaneet ratkaisevan askeleen tähän suuntaan osoittamalla logiikkaportin, joka toimii femtosekuntien aikaskaalalla.

Saavutus saatiin aikaan valjastamalla ja ohjaamalla itsenäisesti ensimmäistä kertaa todellisia ja virtuaalisia varauksenkuljettajia, jotka muodostavat nämä ultranopeat sähköpurkaukset.

Tutkijoiden edistysaskel on avannut oven tietojenkäsittelyyn petahertsien rajoille.

"Oikeat" varauksenkantajat ovat valon virittämiä elektroneja, jotka pysyvät suunnatussa liikkeessä senkin jälkeen, kun laserpulssi on sammutettu.

"Virtuaaliset" varauksenkantajat ovat elektroneja, jotka asettuvat vain nettosuuntaiseen liikkeeseen laserpulssin ollessa päällä. Sellaisenaan ne ovat vaikeasti havaittavissa olevia lajeja, jotka elävät vain tilapäisesti valaistuksen aikana.

Hämmästyttävästi ryhmä havaitsi, että muuttamalla laserpulssin muotoa he pystyivät synnyttämään virtoja, joissa vain todelliset tai virtuaaliset varauksenkantajat näyttelevät roolia. Toisin sanoen he eivät tuottaneet vain kahta virtojen makua, vaan he myös oppivat hallitsemaan niitä itsenäisesti. Tämä havainto lisää huomattavasti valoaaltoelektroniikan suunnittelun elementtejä.

Käyttämällä tätä lisättyä ohjaustapaa, tiimi pystyi ensimmäistä kertaa kokeellisesti osoittamaan logiikkaportteja, jotka toimivat femtosekunnin aikaskaalalla.

"Tiedämme nyt, että valoaaltoelektroniikka on käytännössä mahdollista."

"Menee todennäköisesti hyvin kauan ennen kuin tätä tekniikkaa voidaan käyttää tietokonepiirissä, mutta ainakin nyt tiedämme, että valoaaltoelektroniikka on käytännössä mahdollista", sanoo Tobias Boolakee, joka johti kokeellisia toimia tohtoriopiskelijana FAU:ssa.

Ensimmäinen ultranopea fotoninen laskentaprosessori

Oxfordin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jossa käytetään valon polarisaatiota informaation tallennustiheyden ja laskentatehon maksimoimiseksi nanolankojen avulla.

Valolla on hyödynnettävissä oleva ominaisuus – valon eri aallonpituudet eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa. Samoin valon eri polarisaatiot eivät myöskään ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Jokaista polarisaatiota voidaan käyttää itsenäisenä informaatiokanavana, mikä mahdollistaa suuremman määrän informaation tallentamista useisiin kanaviin, mikä lisää informaatiotiheyttä huomattavasti.

Tutkija June Sang Lee toteaa: "Me kaikki tiedämme, että fotoniikan etu elektroniikkaan verrattuna on se, että valo on nopeampaa ja toimivampaa suurilla kaistanleveyksillä. Tavoitteemme oli siis hyödyntää fotoniikan edut viritettävän materiaalin kanssa nopeamman ja tiheämmän tietojenkäsittelyn toteuttamiseksi.

Yhteistyössä Exeterin yliopiston professori David Wrightin kanssa tutkimusryhmä kehitti HAD-nanolangan (hybridized-active-dilectric), jossa käytettiin hybridilasimaista materiaalia, joka osoittaa vaihdettavia materiaaliominaisuuksia optisten pulssien valaistuksessa. Jokainen nanolanka osoittaa selektiivisiä vasteita tiettyyn polarisaatiosuuntaan, joten informaatiota voidaan käsitellä samanaikaisesti käyttämällä useita polarisaatioita eri suuntiin.

Tämän konseptin avulla tutkijat ovat kehittäneet ensimmäisen fotonisen laskentaprosessorin, joka hyödyntää valon polarisaatioita.

Fotoninen laskenta suoritetaan useiden polarisaatiokanavien kautta, mikä johtaa laskentatiheyden parantumiseen useilla kertaluvuilla verrattuna perinteisiin elektronisiin siruihin. Laskentanopeudet ovat nopeampia, koska nämä nanolangat moduloidaan nanosekuntien optisilla pulsseilla. Uusi siru lupaa olla yli 300 kertaa nopeampi ja tiheämpi kuin nykyiset elektroniset sirut.

Professori Bhaskaran, joka johti työtä, sanoi: "Tämä on vasta alkua sille, mitä haluaisimme nähdä tulevaisuudessa eli, mikä on valon tarjoamien vapausasteiden hyödyntäminen, mukaan lukien polarisaatio tietojenkäsittelyn dramaattiseksi rinnastamiseksi."

Ehdottomasti varhaisen vaiheen työtä – nopeusarviomme vaativat vielä tutkimusta niiden kokeellisen todentamiseksi – mutta erittäin jännittäviä ideoita, joissa yhdistyvät elektroniikka, epälineaariset materiaalit ja laskenta.

Syyskuu 2022