Группа ученых Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Исследовательского центра IBM в Цюрихе (Швейцария) и Университета Вупперталя (Германия) разработала полностью оптический транзистор нового типа на основе поляритонов в органических структурах. Этому научному достижению посвящена статья, опубликованная в ведущем научном журнале Nature Photonics [1], разместившим анонс этого исследования на своей обложке. В статье представлены результаты более чем двухлетнего тесного сотрудничества между Лабораторией гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса и Исследовательским центром IBM в Цюрихе. Ученым удалось создать первый в мире полностью оптический поляритонный транзистор, способный работать при комнатной температуре и имеющий беспрецедентно высокий коэффициент усиления. Специалисты считают, что данная разработка является большим шагом на пути к созданию сверхбыстрых оптических логических схем и приближает появление реальных оптических компьютеров [2].
Мы редко задумываемся над тем как устроены окружающие нас вычислительных системы, такие как ноутбуки и смартфоны, сегодня все они основаны на слаженной работе миллиардов электрических транзисторов, которые, пожалуй, являются одним из самых важных изобретений 20-го века. В основе работы транзистора лежит принцип управляемого протекания электрического тока (потока электронов). При протекании тока по электрическим цепям микросхем неизбежно происходит выделение энергии в виде тепла (это легко почувствовать, если просто держать телефон в руке). Количество тепловой энергии, выделяемой одним смартфоном, ничтожно мало, но ведь в мире существуют миллиарды таких устройств и тысячи центров обработки данных, в совокупности вырабатывающих колоссальное количество энергии впустую… Подсчитано, что мировая индустрия информационных и коммуникационных технологий, которая уже сейчас потребляет вдвое больше электроэнергии, чем вся Россия, к 2025 году будет потреблять до 1/5 мировых запасов электричества. Если вместо электронов использовать фотоны (элементарные частицы света), то эту серьезную проблему можно было бы решить при помощи оптического компьютера, позволяющего обрабатывать информацию со скоростью света, потребляя при этом гораздо меньше энергии. Ученые, разработавшие полностью оптический транзистор сделали большой шаг на пути к заветной мечте ‒ созданию оптического компьютера.
На первый взгляд может показаться, что фотоны являются идеальной заменой электронов, однако, до сих пор крайне низкая степень взаимодействия между фотонами существенно осложняла построение логических операций. Действительно, какой толк в получении идеальных сигналов на микросхеме, если их нельзя обработать? Для решения этой проблемы ученые Сколтеха и их коллеги из Исследовательского центра IBM в Цюрихе разработали новую структуру на базе органических полупроводников, в которой можно «смешивать» свет и вещество. Свет, попадающий в эту структуру, остается внутри нее и взаимодействует с веществом. В процессе этого взаимодействия образуются так называемые поляритоны, т.е. некий гибрид света (фотоны) и вещества (электроны). Придавая фотонам массу, поляритоны приобретают способность взаимодействовать между собой, что позволяет создавать оптические транзисторы и строить оптическую логику. Представленный исследователями новый полностью оптический поляритонный транзистор обеспечивает сверхвысокую скорость работы и рекордную эффективность. Показано, что тактовая частота нового транзистора может достигать 2 ТГц, что примерно в 1000 раз выше по сравнению с лучшими традиционным процессором. Если ранее разработки в данном направлении велись в основном в области сверхнизких температур, то с появлением органических полупроводников, способных работать при комнатной температуре, можно уже всерьез говорить о реализации реальных устройств на принципах поляритоники.
Создание оптического транзистора, несомненно, является крупным достижением, тем не менее, корректное выполнение логических операций требует подключения сразу нескольких транзисторов, что является значительной трудностью для многих ранее предложенных концептов. В частности, каскадное подключение нескольких транзистор в единую «фотонную цепь» оказалось весьма сложной, а в некоторых случаях и вовсе невыполнимой задачей.. Ученые из Сколтеха и исследовательского центра IBM осуществили одновременное каскадное подключение 3-х транзисторов для создания полнофункциональных логических вентилей «И» и «ИЛИ и тем самым наглядно продемонстрировав масштабируемость своей технологии. Логический вентиль, являющийся базовым элементом любой цифровой схемы, принимает на каждый из своих двух входов сигнал с уровнем 0 или 1, а на выходе возвращает сигнал 0 или 1 в соответствии с предварительно заданными правилами. Так поляритонный логический вентиль «И» на выходе возвращает 1, только если на обоих входах он принимает уровень сигнала 1, в противном случае вентиль возвращает уровень 0. Тогда как вентиль «ИЛИ» на выходе возвращает 1, если хотя бы на одном из двух входов он принимает сигнал с уровнем 1. При каскадном подключении выход одного транзистора подключают к входам нескольких транзисторов, что приводит к существенным потерям мощности сигнала. Для снижения потерь необходимо значительно усилить входной сигнал таким образом, чтобы на выходе получить сигнал гораздо большей мощности. Это условие является принципиальным требованием для осуществления сложной обработки цифровых сигналов. Исследователи продемонстрировали возможность усиления входного оптического сигнала в 6500 раз и получили рекордно высокие коэффициенты усиления в микромасштабе ‒ до 10 дБ/мкм. В ближайшие годы эта группа ученых планирует расширить рамки исследования и создать полные логические схемы на базе поляритонов, а также разработать более сложный «универсальный логический вентиль», на основе которого можно будет строить все логические операции.
За менее чем три года своего существования группа молодых исследователей под руководством профессора Павлоса Лагудакиса смогла добиться значительных успехов в разработке и демонстрации возможностей сложных фотонных технологий. Аспирант Сколтеха и соавтор исследования Антон Бараников отмечает: «Получить такие результаты удалось во многом благодаря сложнейшей оптической системе, над созданием которой я и остальные члены нашей группы трудились днем и ночью». Научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи Антон Заседателев добавляет: «Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха ‒ это уникальное сочетание почти неограниченных экспериментальных возможностей – высококлассного, передового оборудования и команды молодых, талантливых, мотивированных исследователей. В этом состоит успех этой работы! Думаю, однажды фотонные процессоры работающие со скоростью света станут для нас такой же реальность, какой сегодня для нас является оптическая связь.».
Прорывные результаты, опубликованные в журнале Nature Photonics, служат наглядным примером плодотворного сотрудничества Сколтеха с международными промышленными партнерами. Ноу-хау Лаборатории гибридной фотоники, талант ее сотрудников и опыт специалистов Исследовательского центра IBM в Цюрихе ‒ главные слагаемые успеха этого проекта, который позволил не только продемонстрировать работоспособность полностью оптического транзистора нового типа, но и интегрировать его в базовые элементы логической схемы. Эта технология, находящаяся в процессе патентования, может лечь в основу будущих высокопроизводительных и мощных вычислительных платформ.
Литература:
[1] A. V. Zasedatelev, A. V. Baranikov, D.Urbonas, F.Scafirimuto, U.Scherf, T.Stöferle, R. F. Mahrt&P. G. Lagoudakis, “A room-temperature organic polariton transistor”, Nature Photonics 13, 378–383 (2019). Html link.
[2] Z. Sun &D. W. Snoke, “Optical switching with organics”, Nature Photonics 13, 370–371 (2019). Html link.
