В Сколтехе создали полностью оптический универсальный логический элемент

Универсальный оптический логический элемент NOR (от англ. NOT — логическое отрицание и OR — логическая сумма «ИЛИ») на основе поляритонных конденсатов разработали ученые из Сколковского института науки и технологий и Университета Вупперталя в Германии, 26 июля сообщила пресс-служба Сколтеха.

Работа была выполнена в рамках проекта «Оптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках» под научным руководством вице-президента Сколтеха по фотонике Павлоса Лагудакиса, лауреата научной премии «Вызов», директора Центра фотоники и фотонных технологий и руководителя Лаборатории гибридной фотоники.

Ее результаты разработчики представили в статье «Комнатнотемпературные, каскадные, полностью оптические поляритонные универсальные вентили», опубликованной в журнале Nature Communications. Результаты проведенного исследования стали еще одним шагом к достижению давней мечты о создании оптических компьютеров, работающих в сотни раз быстрее обычных электронных.

Созданный оптический вентиль NOR работает при комнатной температуре, имеет множественные входы, скорость его работы в сотни раз выше, чем у его электронных аналогов, а поскольку он полностью оптический, то для работы ему не нужен электрический ток.

Такие элементы можно соединять в цепи, то есть каскадировать, что позволяет реализовывать различные логические функции. Таким образом, на базе нового вентиля NOR можно создавать любые типы логических элементов, необходимых для оптических микросхем, создавая вычислительные устройства, работающие без участия электрического тока.

Первый автор статьи, заместитель руководителя Лаборатории гибридной фотоники Денис Санников рассказал о задаче, которую решали исследователи:

«Мы впервые на практике реализовали каскадируемый оптический универсальный логический вентиль, а значит, наши эксперименты открывают путь к созданию полностью оптического вычислителя. Дело в том, что современные компьютеры ограничены по частоте работы электронного процессора в несколько ГГц. С 80-х годов для увеличения скорости вычислений производители постоянно увеличивали тактовую частоту процессора, но затем столкнулись с принципиальным физическим ограничением — если поднимать частоту процессора выше нескольких ГГц, то процессор просто превращается в электрообогреватель».

В 2019 году в Лаборатории гибридной фотоники был разработан первый в мире сверхбыстрый оптический поляритонный транзистор, работающий при комнатной температуре, который является основным строительным блоком оптических поляритонных логических цепей. Работать с поляритонными транзисторами можно на частотах до 1 ТГц, что примерно в 300 раз быстрее электронных аналогов.

В другом исследовании, проведенном в лаборатории, ученые показали, что для управления оптическим поляритонным транзистором достаточно одного фотона, что невозможно для любой другой оптической системы.

Логические элементы, иначе вентили, выполняют в устройстве различные логические операции — конъюнкцию (логическое «И»), дизъюнкцию (логическое «ИЛИ»), отрицание (логическое «НЕ») и т. д. Процессор в компьютере состоит из миллиардов транзисторов, формирующих эти логические элементы. Они при подаче какого-то входного сигнала производят внутренние вычисления и выдают результат, которым может быть в том числе изображение на экране.

На каждый вход логического вентиля поступает сигнал с логическим уровнем «0» или «1», а на выходе вентиль возвращает сигнал «0» или «1» в зависимости от поступивших сигналов и функции, которую он выполняет. У электронных вентилей обычно 2–8 входов и 1–2 выхода, но сколтеховский новый оптический универсальный вентиль успешно справился с 12 входами, что увеличивает конкурентное преимущество разработки.

«Для создания универсального вентиля мы использовали особые свойства „жидкого света“ — так сейчас называют поляритонные конденсаты, способные усиливать слабые оптические сигналы в десятки тысяч раз. Чтобы создать такой „жидкий свет“, для начала мы должны сконденсировать поляритоны в основное состояние. Если проводить параллель, то это подобно водяному пару в воздухе, который превращается в воду на холодном стекле окна»,  — рассказал Денис Санников.

Он добавил, что исследователи пошли дальше и научились конденсировать поляритоны в неосновное состояние — в нем они обладали большей энергией. Это позволило решить давнюю проблему полностью оптических логических элементов — отключать оптический сигнал с помощью света, получая из логической единицы ноль.

«Фотоны, — пояснил ученый, — в отличие от электронов, не взаимодействуют друг с другом, и поэтому создание такого оптического логического преобразователя долгое время оставалось физическим и технологическим вызовом. Мы добились решения этой задачи благодаря использованию уникальных свойств „жидкого света“, объединяющего в себе свойства как фотонов, так и электронов, что позволило создать оптический поляритонный универсальный вентиль».