Світло замінить електрику: вчені створили унікальний наночип для надшвидких квантових обчислень

Про це повідомляють дослідники з Університету Монаша (Monash University), результати роботи яких опублікувало наукове видання Phys.org.

Розробка описана у журналі Nature Photonics й стосується перспективного напрямку велітроніки (valleytronics) – галузі, яка досліджує використання квантових властивостей матеріалів для передачі та обробки інформації.

Основою технології стала так звана "ступінь свободи valley" – квантова характеристика деяких матеріалів, яка дозволяє кодувати дані новими способами. На відміну від традиційної електроніки, де інформація передається електронами, тут для обчислень використовують світлові сигнали та особливості їхньої взаємодії з наноматеріалами.

Мовиться про інтегральну нанофотоніку. Це створення таких собі мікроскопічних "доріг" (хвилеводів) для частинок світла – фотонів – безпосередньо на поверхні кремнієвого чипа. Це схоже на волоконно-оптичний інтернет-кабель, але зменшений у тисячі разів, аж до нанорозмірів. Завдяки цьому інформація може передаватися зі швидкістю світла, практично без втрат енергії та без виділення тепла, що є величезним проривом для мікроелектроніки.

Новий метод створення наноструктур спрощує виробництво напівпровідників / Фото Хорхе Відаль/Університет Райса

За словами провідного автора роботи, доктора Чі Лі (Chi Li), досі вчені могли або створювати такі сигнали, або зчитувати їх, але не поєднувати всі процеси в одному пристрої.

До цього моменту ми могли генерувати або детектувати ці сигнали, але не робити все одразу в єдиному інтегрованому пристрої,
– прокоментував відкриття дослідник.

За його словами, команда створила повноцінну систему на чипі, яка здатна створювати, маршрутизувати та зчитувати інформацію з дуже високою точністю.

Як все це взагалі працює?

Співавтор дослідження доктор Кайцзянь Сін (Kaijian Xing) зазначив, що команда застосувала простий метод багатошарового складання матеріалів із метаповерхнями.

Це дозволило обійти складнощі прямого вирощування матеріалів на фотонних структурах і дало можливість розвивати велітроніку далі.

Однією з головних переваг системи стала її робота за кімнатної температури. Багато сучасних квантових технологій вимагають наднизьких температур і складного охолодження, що суттєво ускладнює їхнє практичне використання. Новий підхід робить технологію значно ближчою до реальних комерційних застосувань.

Це важливий крок до масштабованих технологій на чипі, які використовують світло замість електрики для обробки інформації,
– зазначив керівник Monash NanoMeta Group доктор Гаоран Рен (Haoran Ren).

За словами дослідника, технологія має великий потенціал для квантових комп'ютерів, нових систем зв'язку та передових методів візуалізації.

Під час демонстрації команда показала, що пристрій здатен одночасно кодувати та обробляти два різні зображення. Це демонструє можливість паралельної роботи з кількома потоками інформації – одна з ключових вимог для майбутніх ШІ-систем і високопродуктивних обчислень.

Що нам можуть дати ці чипи?

Дослідники вважають, що подібні чипи в перспективі можуть забезпечити швидші та енергоефективніші обчислення, а також нові методи захищеного передавання даних. Технологія також допомагає скоротити відстань між експериментальною квантовою фізикою та практичними електронними пристроями.

Керівник Школи фізики та астрономії Monash University професор Штефан А. Майєр (Stefan A. Maier) наголосив, що інтеграція світла й квантових матеріалів на одному чипі відкриває абсолютно нові методи кодування та обробки інформації.

У дослідженні також брали участь науковці з Singapore University of Technology and Design, LMU Munich та University of Technology Sydney. Проєкт об'єднав спеціалістів у галузях нанофотоніки, двовимірних матеріалів та оптоелектроніки з Австралії, Китаю, Сінгапуру, Німеччини та Японії.