Forskere skaber en enhed til at strømline interaktioner mellem ultra-kolde computere og stuetemperaturer

Mange state-of-the-art teknologier fungerer ved utrolig lave temperaturer. Superledende mikroprocessorer og kvantecomputere lover at revolutionere beregningen, men forskerne er nødt til at holde dem lige over det absolutte nulpunkt (–459,67° Fahrenheit) for at beskytte deres sarte tilstande. Alligevel skal ultrakolde komponenter forbindes med rumtemperatursystemer, hvilket giver både en udfordring og en mulighed for ingeniører

Et internationalt hold af videnskabsmænd, ledet af UC Santa Barbaras Paolo Pintus, har designet en enhed til at hjælpe kryogene computere med at tale med deres modstykker i godt vejr. Mekanismen bruger et magnetfelt til at konvertere data fra elektrisk strøm til lysimpulser. Lyset kan derefter rejse via fiberoptiske kabler, som kan transmittere mere information end almindelige elektriske kabler og samtidig minimere den varme, der lækker ind i det kryogene system. Holdets resultater vises i journalen Nature Electronics .

"En enhed som denne kunne muliggøre sømløs integration med banebrydende teknologier baseret på superledere, for eksempel," sagde Pintus, en projektforsker i UC Santa Barbara's Optoelectronics Research Group. Superledere kan føre elektrisk strøm uden energitab, men kræver typisk temperaturer under -450° Fahrenheit for at fungere korrekt.

Lige nu bruger kryogene systemer standard metalledninger til at forbinde med stuetemperaturelektronik. Desværre overfører disse ledninger varme til de kolde kredsløb og kan kun overføre en lille mængde data ad gangen.

Pintus og hans samarbejdspartnere ønskede at tage fat på begge disse spørgsmål på én gang. "Løsningen er at bruge lys i en optisk fiber til at overføre information i stedet for at bruge elektroner i et metalkabel," sagde han.

Fiberoptik er standard i moderne telekommunikation. Disse tynde glaskabler bærer information som lysimpulser langt hurtigere end metalledninger kan bære elektriske ladninger. Som et resultat kan fiberoptiske kabler videresende 1.000 gange mere data end konventionelle ledninger over samme tidsrum. Og glas er en god isolator, hvilket betyder, at det vil overføre langt mindre varme til de kryogene komponenter end en metaltråd.

Brug af fiberoptik kræver dog et ekstra trin:konvertering af data fra elektriske signaler til optiske signaler ved hjælp af en modulator. Dette er en rutineproces under omgivende forhold, men bliver en smule vanskelig ved kryogene temperaturer.

Pintus og hans samarbejdspartnere byggede en enhed, der omsætter elektrisk input til lysimpulser. En elektrisk strøm skaber et magnetfelt, der ændrer de optiske egenskaber af en syntetisk granat. Forskere omtaler dette som den "magneto-optiske effekt."

Det magnetiske felt ændrer granatens brydningsindeks, i det væsentlige dens "densitet" til lys. Ved at ændre denne egenskab kan Pintus indstille amplituden af ​​lyset, der cirkulerer i en mikroringresonator og interagerer med granaten. Dette skaber lyse og mørke pulser, der fører information gennem det fiberoptiske kabel som morsekode i en telegrafledning.

"Dette er den første højhastighedsmodulator, der nogensinde er fremstillet ved hjælp af den magneto-optiske effekt," bemærkede Pintus.

Andre forskere har skabt modulatorer ved hjælp af kondensatorlignende enheder og elektriske felter. Imidlertid har disse modulatorer normalt høj elektrisk impedans - de modstår strømmen af ​​vekselstrøm - hvilket gør dem til et dårligt match for superledere, som i det væsentlige har nul elektrisk impedans. Da den magneto-optiske modulator har lav impedans, håber forskerne, at den vil være i stand til bedre at interagere med superlederkredsløb.

Holdet tog også skridt til at gøre deres modulator så praktisk som muligt. Den fungerer ved bølgelængder på 1.550 nanometer, den samme bølgelængde af lys, der bruges i internettelekommunikation. Det blev produceret ved hjælp af standardmetoder, hvilket forenkler fremstillingen.

Projektet var et samarbejde. Pintus og gruppedirektør John Bowers ved UC Santa Barbara ledede projektet, fra idé, modellering og design til fremstilling og test. Den syntetiske granat blev dyrket og karakteriseret af en gruppe forskere fra Tokyo Institute of Technology, som tidligere har samarbejdet med holdet ved UCSB's Department of Electrical and Computer Engineering om adskillige forskningsprojekter.

En anden partner, Quantum Computing and Engineering-gruppen fra BBN Raytheon, udvikler den slags superledende kredsløb, der kunne drage fordel af den nye teknologi. Deres samarbejde med UCSB er et langvarigt samarbejde. Forskere ved BBN udførte lavtemperaturtestning af enheden for at verificere dens ydeevne i et realistisk superledende computermiljø.

Enhedens båndbredde er omkring 2 gigabit per sekund. Det er ikke meget sammenlignet med datalinks ved stuetemperatur, men Pintus sagde, at det er lovende for en første demonstration. Holdet skal også gøre enheden mere effektiv, for at den kan blive nyttig i praktiske applikationer. Det mener de dog, at de kan opnå ved at erstatte granaten med et bedre materiale. "Vi vil gerne undersøge andre materialer," tilføjede han, "og vi tror, ​​vi kan opnå en højere bitrate. For eksempel viser europium-baserede materialer en magneto-optisk effekt 300 gange større end granaten."

Der er masser af materialer at vælge imellem, men ikke meget information til at hjælpe Pintus og hans kolleger med at træffe det valg. Forskere har kun studeret de magneto-optiske egenskaber af nogle få materialer ved lave temperaturer.

"De lovende resultater, der er demonstreret i dette arbejde, kan bane vejen for en ny klasse af energieffektive kryogene enheder," sagde Pintus, "førende forskningen mod højtydende (uudforskede) magneto-optiske materialer, der kan fungere ved lave temperaturer." + Udforsk yderligere

Lysets håndfasthed holder nøglen til bedre optisk kontrol