En magneto-optisk modulator kunne lette udviklingen af ​​næste generation af superlederbaserede computere

I fremtiden vil mange computere højst sandsynligt være baseret på elektroniske kredsløb lavet af superledere. Disse er materialer, gennem hvilke en elektrisk strøm kan flyde uden energitab, kunne være meget lovende for udviklingen af ​​højtydende supercomputere og kvantecomputere.

Forskere ved University of California Santa Barbara, Raytheon BBN Technologies, University of Cagliari, Microsoft Research og Tokyo Institute of Technology har for nylig udviklet en magneto-optisk modulator - en enhed, der styrer egenskaberne af en lysstråle gennem et magnetfelt. Denne enhed, introduceret i et papir udgivet i Nature Electronics , kunne bidrage til implementeringen af ​​storstilet elektronik og computere baseret på superledere.

"Vi arbejder på en ny teknologi, der kan fremskynde højtydende supercomputere og kvantecomputere baseret på superlederteknologi," siger Paolo Pintus, forskeren, der ledede undersøgelsen, til TechXplore. "Superledere fungerer kun korrekt ved lave temperaturer, generelt lige over det absolutte nulpunkt (-273,15° Celsius). På grund af dette skal kredsløb lavet af disse materialer opbevares i et dedikeret køleskab."

Kredsløb lavet af superledere er typisk forbundet til deres eksterne omgivelser ved hjælp af metalkabler. Disse kabler har en begrænset kommunikationshastighed og kan overføre varme til et koldt kredsløb.

Et lovende alternativ ville være at bruge optiske fibre, tynde og fleksible glastråde, der kan formidle lyssignaler og i øjeblikket bruges til at bringe internetdata over lange afstande. Disse fibre har to hovedfordele i forhold til metalkabler:de kan transmittere 1.000 gange flere data inden for samme tidsrum uden at overføre varme, da glas er en god termisk isolator.

"Som en del af vores arbejde har vi designet og fremstillet en enhed (kendt som 'optisk modulator'), der konverterer information båret af en elektrisk strøm i en elektromagnet til lys," forklarede Pintus. "Dette er takket være en fysisk mekanisme kaldet 'magneto-optisk effekt'. Dette lys kan rejse gennem en optisk fiber og transportere information ud af det kolde miljø uden at ændre funktionaliteten af ​​det kolde kredsløb."

Optiske modulatorer som den enhed, der er skabt af Pintus og hans kolleger, giver forskere mulighed for at kontrollere lysstrålernes egenskaber, så de kan overføre information i form af optiske signaler. Disse modulatorer har adskillige potentielle anvendelser, for eksempel tillader transmission af binære (én og nul) koder over lange afstande.

Den magneto-optiske modulator skabt af forskerne bruger en elektrisk strøm til at generere et magnetfelt. Dette magnetiske felt inducerer igen en ændring i de optiske egenskaber af en syntetisk granat, hvor lyset forplanter sig.

"Den mekanisme, der understøtter vores modulator, er analog med en guitarspiller, der ændrer strengenes stivhed for at spille en anden lyd," sagde Pintus. "I vores tilfælde styrer magnetfeltet den optiske tæthed af mediet, hvor lyset bevæger sig, sådan at når lyset kan forplante sig, får vi et '1', og når lyset er dæmpet, har vi et '0'. "

I indledende evalueringer opnåede den magneto-optiske modulator skabt af Pintus og hans kolleger meget lovende resultater. Mest bemærkelsesværdigt nåede den en relativt hurtig modulationshastighed (et par gigabits pr. sekund) og kunne fungere ved temperaturer så lave som 4 K (-269,15° Celsius).

"Dette er nøglekomponenten til at muliggøre energieffektive store dataoverførselshastigheder fra superledende kredsløb, der opererer inde i en kryostat ved lav temperatur og stuetemperatur," sagde Pintus. "Normalt er optiske modulatorer baseret på nogle få elektro-optiske effekter, hvor et elektrisk felt ændrer den optiske egenskab af materialet, hvor lyset forplanter sig. Den magneto-optiske effekt, som vi brugte, er derimod en dobbelt effekt. , hvor et magnetfelt ændrer den optiske egenskab af et medium."

Selvom den magneto-optiske effekt er velkendt og grundigt undersøgt, var Pintus og hans kolleger blandt de få, der undersøgte dens potentielle værdi for at skabe modulatorer. Dette område var ikke blevet udforsket meget før, fordi fremstilling af integrerede magneto-optiske enheder og anvendelse af hurtige tidsvarierende magnetiske felter kan være meget udfordrende. Derudover har den magneto-optiske effekt en tendens til at være forbundet med betydeligt langsommere responstider end elektro-optiske effekter.

"Vores er det første bevis på konceptet for en højhastighedsmodulator baseret på en magneto-optisk effekt," sagde Pintus. "Med denne modulator demonstrerer vi en vigtig byggesten til at muliggøre effektiv kommunikation mellem kryogent miljø og stuetemperaturelektronik ved hjælp af optiske fibre. Sammenlignet med tidligere kryogene (elektro-optiske) modulatorer har vores foreslåede løsning en meget enkel struktur, og den er kompatibel med superledende kredsløb, da den elektriske indgangsimpedans er meget lille."

Den lovende ydeevne og kryogene karakter af forskernes modulator gør den velegnet til at forbinde standardelektronik (ved stuetemperatur) med kryogen superledende og kvanteberegningsarkitektur. I fremtiden kan denne nylige undersøgelse bane vejen for ny forskning med fokus på magneto-optiske materialer til optisk modulering og på deres potentielle computeranvendelser.

"I vores arbejde demonstrerede vi en modulationshastighed på 2 Gigabit-per-sekund med energiforbrug under 4 picojoule-per-bit af overført information, som kunne reduceres med 80 gange (under 50 femtojoule-per-bit) ved at optimere fremstillingsproces i det samme materialesystem," tilføjede Pintus. "Selvom denne ydeevne er imponerende, mener vi, at der er meget plads til yderligere forbedringer. I vores næste værker vil vi gerne udforske andre materialer for at opnå højere modulationshastighed og lavere strømforbrug. Området for kryogent magneto-optisk materiale er et uudforsket område, og det vil kræve mere undersøgelse for at indsnævre de mest lovende materialer." + Udforsk yderligere

Forskere skaber enheder til at strømline interaktioner mellem ultrakolde computere og stuetemperaturer

© 2022 Science X Network