Yhden fotonin kytkin voisi mahdollistaa fotonisen laskennan

Purduen yliopiston tutkijat ovat saavuttaneet kauan odotetun virstanpylvään osoittamalla, mitä he kutsuvat "fotoniseksi transistoriksi", joka toimii yksittäisten fotonien intensiteeteillä.

Heidän Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistut löydöksensä raportoivat epälineaarisen taitekertoimen, joka on useita kertaluokkia korkeampi kuin tunnetuimpien materiaalien. Tämä harppaus voisi vihdoin tehdä fotonisesta laskennasta käytännöllistä.

Ratkaisu löytyi odottamattomasta lähteestä: kaupallisissa yksittäisfotonien ilmaisimissa käytetystä lumivyöryjen moninkertaistumisprosessista. Kun yksi fotoni osuu piihin ja luo yhden elektronin, tämä elektroni voi laukaista lumivyöryn, joka tuottaa jopa miljoona uutta elektronia.

”Tämä kertaantumien on erittäin tehokas työkalu mikroskooppisen kvanttimaailman ja makroskooppisen maailman yhdistämiseen”, professori Valdimir Sychev sanoi. ”Tätä periaatetta on usein käytetty yksittäisten fotonien havaitsemiseen, mutta me sovelsimme tätä prosessia luodaksemme valtavan epälineaarisuuden optisille säteille, joissa yksi yksittäisten fotonien säde voi ohjata valtavaa makroskooppista sädettä.”

Rakenne toimii optisena kytkimenä: Yksi fotoni ohjaussäteessä voi moduloida paljon tehokkaamman luotainsäteen ominaisuuksia, kytkemällä sen tehokkaasti päälle tai pois päältä.

Purduen tiimin lähestymistapa tarjoaa kolme keskeistä etua verrattuna vaihtoehtoisiin menetelmiin, joita on tutkittu yksittäisten fotonien epälineaarisuuden havaitsemiseksi. Ensinnäkin se toimii huoneenlämmössä. Toiseksi, teknologia on yhteensopiva CMOS-tekniikan kanssa. Kolmanneksi, ja kenties tärkeimpänä, se toimii gigahertsin nopeuksilla ja voisi potentiaalisesti saavuttaa satoja gigahertsejä.

Vaikka tutkimuksella on ilmeisiä sovelluksia kvanttilaskennassa, jossa se voisi lisätä yksittäisten fotonien tuottamisen tehokkuutta, Sychev uskoo, että klassiset laskennan sovellukset voivat olla vieläkin mullistavampia.

Fotonisen tietokoneen ongelmana on, ettei tämäntyyppisiä fotonikytkimiä ole. Tarvittava fotonien välinen vuorovaikutus vaatii tyypillisesti suuria optisen valon tehoja. Nyt kehitetyllä menetelmällä se voidaan periaatteessa tehdä yksittäisillä fotoneilla.

Vaikutukset ulottuvat myös laskennan ulkopuolelle datakeskuksiin, optiseen viestintään ja tiedonsiirtojärjestelmiin – kaikkialle, missä fotonien nopeus ja energiatehokkuus voisivat korvata hitaamman ja virtaa kuluttavan elektroniikan.

”Minusta tuntuu, että alan tässä muuttaa maailmaa”, PhD Peiang Chen sanoo. ”Tämä työ merkitsee todella paljon, ei vain urani kannalta, vaan myös siksi, että tämä laite voi tehdä muutoksen teollisuudessa ja tiedeyhteisössä.”

Sychev korosti, että vaikka demonstraatio on merkittävä, paljon työtä on vielä tehtävänä. ”Tämä työ voi todellakin tuoda tulevaisuudessa lisää tuloksia teollisuudelle ja akateemiselle maailmalle, tieteelle ja teknologialle”, hän sanoi. ”Se on pitkäaikainen ongelma, ja löysimme jonkin mahdollisen tavan ratkaista se. Tämän tavoitteen saavuttaminen vaatii vielä paljon työtä, mutta ainakin jokin mielenkiintoinen suunta löydettiin, ja olemme tästä erittäin tyytyväisiä.”

Aiheesta aiemmin:

Kiraalinen fotoninen rakenne ja muisti

Fotoninen tietojenkäsittely askeltaa kohti toteutumista

Polarisaatiota hyödyntävä fotoninen prosessori