Американские инженеры создали фотонный транзистор

Луч света без помех проходит через охлаждённые атомы цезия

Луч света без помех проходит через охлаждённые атомы цезия
(иллюстрация MIT).

"Переключающий" фотон возбуждает атомы цезия, и они останавливают световую волну, выключая транзистор

"Переключающий" фотон возбуждает атомы цезия, и они останавливают световую волну, выключая транзистор
(иллюстрация MIT).

Луч света без помех проходит через охлаждённые атомы цезия
"Переключающий" фотон возбуждает атомы цезия, и они останавливают световую волну, выключая транзистор

Транзисторы играют роль своеобразного переключателя между сигналами внутри электронных чипов современных компьютеров. Сегодня учёные из Массачусетского технологического института (MIT) решили модернизировать основной компонент электроники: они создали транзистор, переключающийся под воздействием одного фотона.

Обычно фотоны доставляют информацию с одного конца оптоволоконного кабеля на другой с очень высокой скоростью. Однако учёные ищут им новое применение. Одной из первых попыток создания инновационного кремниевого чипа с оптическими элементами была разработка компании IBM, представленная в декабре 2012 года: световые волны внутри устройства переносили информацию между компьютерными чипами.

Сегодня инженерам удалось заставить свет выполнять больше функций, чем просто переносить информацию. Вэнлань Чэнь (Wenlan Chen) и её коллеги из Массачусетского технологического института поместили охлаждённые атомы цезия между двумя зеркалами.

Луч света без помех проходит через охлаждённые атомы цезия (иллюстрация MIT).

Транзистор во включённом (по умолчанию) состоянии позволяет лучам света проходить сквозь облако из атомов цезия. При попадании одного "управляющего" фотона он выключается. Это происходит благодаря эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности (electromagnetically induced transparency): попавший на "затвор" фотон переводит атомы цезия в возбуждённое состояние, заставляя их отражать свет, падающий на облако.

"Всего один фотон может заблокировать прохождение 400 других", — говорит Чэнь, которая 7 июня 2013 года представила результаты своей работы коллегам на собрании Филиала атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического сообщества (American Physical Society’s Division of Atomic, Molecular and Optical Physics).

Возможность управления мощным потоком света при помощи всего одного фотона является ключевым условием работы оптического транзистора. "Это настоящий прорыв в технологии. Никто ещё не был так близок к созданию фотонного транзистора", — говорит турецкий физик Атач Имамоглу (Ataç İmamoğlu) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

В теории, сотни фотонов, управляемые одним-единственным, могут также стать "переключателями" для сотни других транзисторов в оптической цепи.

"Переключающий" фотон возбуждает атомы цезия, и они останавливают световую волну, выключая транзистор (иллюстрация MIT).

Пока что вся эта система напоминает транзистор только принципом работы: устройство выглядит очень громоздким, и пока не верится, что когда-нибудь оно будет частью компьютера или ноутбука. Но его уже можно использовать для изучения взаимодействия фотонов на квантовом уровне.

А потом уже, вероятно, на его основе можно будет создать и квантовый транзистор для квантового компьютера, где биты могут принимать значения 0 и 1 одновременно. Подобные устройства обещают стать компьютерами будущего, работающими гораздо быстрее даже самых высокотехнологичных компьютеров, существующих сегодня.

Добавим, что наиболее практичный на сегодняшний день оптический транзистор был представлен в апреле 2012 года командой учёных из Университета Пердью (Purdue University). Тогда инженер-электротехник Минхао Ци (Minghao Qi) создал фотонный транзистор, который мог бы составить неплохую конкуренцию уже имеющимся на рынке полупроводниковым триодам. "Главным преимуществом нашего изобретения является то, что он работает на кремниевой микросхеме", — говорит Ци.

На кремниевой пластинке выцарапаны желобки-каналы, по которым проходят управляющий и управляемый лучи света. Между двумя такими параллельными каналами расположен замкнутый желобок-кольцо. Когда слабый пучок света проходит через вторую оптическую линию, кольцо нагревается и набухает, мешая основному лучу света пройти и таким образом выключая транзистор. Такие переключения могут происходить до 10 миллиардов раз ежесекундно. Выходящие лучи света могут расходиться и воздействовать на другие транзисторы.

Дэвид Миллер (David Miller), физик Стэнфордского университета в 2010 году провозгласил основные требования к работе оптического транзистора. Одним из них была способность каждого фотона воздействовать на лучи света. Другим критерием было совпадение частот исходящих сигналов с частотой входящих. Также, по словам учёного, нельзя допустить помех в исходящем сигнале, так как это может вызвать ошибку или сбой в системе. Миллер говорит, что создать оптический транзистор, соответствующий всем требованиям, очень сложно.

Как бы то ни было ни Ци, ни его коллеги не говорят о своём изобретении как о практическом аналоге электронных транзисторов, поскольку пока что они потребляют намного больше энергии и работают медленнее. "Мы могли бы дополнить существующую технологию, но заменять мы её пока не собираемся", — заявил Ци.

Он надеется найти поддержку у компаний нишевого рынка, к примеру, у производителей оборудования для кабельного телевидения или военной техники, которым могла бы пригодиться устойчивость света к электромагнитным атакам. (Последние сейчас могут вывести из строя практически всю незащищённую технику противника.)

Технология оптических транзисторов может быть полезна и производителям интернет-маршрутизаторов (роутеров), передающих информацию по Всемирной паутине. Сейчас они работают так: оптические сигналы, передающиеся по оптоволокну, конвертируются в электрические, обрабатываются, а затем вновь преобразуются в свет перед дальнейшей отправкой. Если в маршрутизаторах появятся направляющие друг друга лучи света, но необходимость в конвертации сигналов отпадёт, и устройство будет работать быстрее, потребляя меньшее количество энергии.

Популярным кандидатом в такие переключатели на сегодня являются так называемые квантовые точки — микроскопические полупроводниковые кристаллы, которые ведут себя как атомы. Принцип их работы может быть следующим. Световая волна вдоль перфорированной пластинки фотонного кристалла. При этом излучение может пройти сквозь квантовую точку, стоящую на его пути, не меняя своей траектории. Но, если пустить перед ним другой пучок фотонов, то может возникнуть взаимодействие между квантовой точкой и кристаллом, в результате чего луч света пойдёт по другому пути. Согласно исследованию Эдо Уокса (Edo Waks) и его коллег из Института квантовых взаимодействий при Университете Мэриленда (Joint Quantum Institute), для переключения светового сигнала в таком маршрутизаторе достаточно будет пучка из 140 фотонов, то есть (с точки зрения энергетических затрат) совсем немного.

Но все подобные приборы пока имеют одну непреодолимую проблему: лазеры, обеспечивающие устройство лучами света, потребляют огромное количество энергии, минимизируя всю экономию.

Также по теме:
IBM представила жидкие нанотранзисторы
Инженеры собрали самый гибкий транзистор на нанотрубках
Транзистор из нанотрубки впервые победил своего кремниевого собрата
Компания IBM создала процессор на сверхплотном массиве нанотрубок
IBM приблизилась к созданию инновационных чипов