Lys, fantastisk:Vejen frem for hurtigere, mindre computerprocessorer

Lys er ved at dukke op som det førende værktøj til informationsbehandling i computere og telekommunikation, efterhånden som vores behov for energieffektivitet og båndbredde stiger.

Allerede guldstandarden for interkontinental kommunikation gennem fiberoptik, fotoner erstatter elektroner som de vigtigste informationsbærere gennem optiske netværk og ind i selve computerens hjerte.

Imidlertid, der er stadig betydelige tekniske barrierer for at fuldføre denne transformation. Industristandard siliciumkredsløb, der understøtter lys, er mere end en størrelsesorden større end moderne elektroniske transistorer. En løsning er at 'komprimere' lys ved hjælp af metalliske bølgeledere - men dette ville ikke kun kræve en ny produktionsinfrastruktur, men også måden lyset interagerer med metaller på chips betyder, at fotonisk information let går tabt.

Nu har forskere i Australien og Tyskland udviklet en modulær metode til at designe enheder i nanoskala for at hjælpe med at overvinde disse problemer, kombinerer det bedste fra traditionelt chipdesign med fotonisk arkitektur i en hybrid struktur. Deres forskning er offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

"Vi har bygget en bro mellem industristandard silicium fotoniske systemer og de metalbaserede bølgeledere, der kan gøres 100 gange mindre og samtidig bevare effektiviteten, " sagde hovedforfatter Dr. Alessandro Tuniz fra University of Sydney Nano Institute og School of Physics.

Denne hybride tilgang tillader manipulation af lys på nanoskala, målt i milliarddele af en meter. Forskerne har vist, at de kan opnå datamanipulation ved 100 gange mindre end lysets bølgelængde, der bærer informationen.

"Denne form for effektivitet og miniaturisering vil være afgørende for at transformere computerbehandling til at være baseret på lys. Den vil også være meget nyttig i udviklingen af ​​kvante-optiske informationssystemer, en lovende platform for fremtidige kvantecomputere, " sagde lektor Stefano Palomba, en medforfatter fra University of Sydney og Nanophotonics Leader ved Sydney Nano.

"Til sidst forventer vi, at fotonisk information vil migrere til CPU'en, hjertet af enhver moderne computer. En sådan vision er allerede blevet kortlagt af IBM. "

Enheder i nanometerskala på chip, der bruger metaller (kendt som "plasmoniske" enheder) giver mulighed for funktionalitet, som ingen konventionel fotonisk enhed tillader. Især, de komprimerer effektivt lys ned til et par milliardtedele af en meter og opnår dermed enormt forbedrede, interferensfri, lys-til-stof-interaktioner.

"Udover at revolutionere den generelle behandling, dette er meget nyttigt til specialiserede videnskabelige processer såsom nanospektroskopi, atom-skala sensing og nanoskala detektorer, " sagde Dr. Tuniz også fra Sydney Institute of Photonics and Optical Science.

Imidlertid, deres universelle funktionalitet blev hæmmet af en afhængighed af ad hoc-design.

"Vi har vist, at to separate designs kan sættes sammen for at forbedre en run-of-the-mill-chip, der tidligere ikke gjorde noget særligt, " sagde Dr. Tuniz.

Denne modulære tilgang muliggør hurtig rotation af lyspolarisering i chippen og, på grund af den rotation, tillader hurtigt nanofokusering ned til omkring 100 gange mindre end bølgelængden.

Professor Martijn de Sterke er direktør for Institute of Photonics and Optical Science ved University of Sydney. Han sagde:"Fremtiden for informationsbehandling vil sandsynligvis involvere fotoner ved hjælp af metaller, der giver os mulighed for at komprimere lys til nanoskalaen og integrere disse designs i konventionel siliciumfotonik."