Изследователи от САЩ разработиха програмируем фотонен чип, който позволява не само да се управлява разпространението на светлината вътре в полупроводниковото устройство, но и в реално време да се променя скоростта на нейното движение. Разработката може да се превърне във важна стъпка по пътя към създаването на ново поколение телекомуникационно оборудване, оптични компютри и квантови комуникационни системи.

Резултатите от изследването са публикувани в списание scitechdaily. Авторите твърдят, че за първи път са успели да реализират на един програмируем чип контролирано забавяне на светлината, без да е необходимо да променят физическата структура на устройството след неговото производство.

Днес практически цялата цифрова инфраструктура — от центровете за данни до магистралните линии за връзка — разчита на използването на светлината за предаване на информация. Фотоните са способни да пренасят огромни обеми данни значително по-бързо и по-ефективно от електроните, но управлението на светлинните сигнали вътре в микросхемите остава една от най-сложните задачи на съвременната фотоника.

Една от тези задачи се състои в това да се научим да „забавяме“ светлината. Въпреки че във вакуум светлината се движи със скорост от почти 300 хил. км/с, в различните материали тя може да се забави значително. Контролираното забавяне на светлината позволява временно съхранение на информацията, синхронизиране на предаването на сигнали, създаване на оптична памет и повишаване ефективността на изчисленията.

Новата архитектура

Досега повечето подобни решения се разработваха за изпълнение на една конкретна функция. След производството на чипа промяната на неговите характеристики беше практически невъзможна. Новият подход предвижда създаването на универсален фотонен процесор, чиито параметри могат да се пренастройват програмно, подобно на съвременните FPGA-чипове в електрониката.

Разработената от учените архитектура представлява масив от свързани пръстеновидни резонатори — миниатюрни оптични структури, в които светлината многократно циркулира по затворена траектория. Чрез промяна параметрите на взаимодействието между тях изследователите успяха софтуерно да регулират закъснението при преминаването на светлинния сигнал през чипа.

В хода на експериментите устройството демонстрира възможността динамично да променя времето на закъснение на фотоните, без да се влошава качеството на предаващия се сигнал. При това настройките могат да се променят практически мигновено, като работата на чипа се адаптира към различни задачи.

Според авторите на изследването технологията позволява да се реализира концепцията за така наречената „slow light“ („бавна светлина“), върху която учените работят вече няколко десетилетия. При това не става въпрос за нарушаване на фундаменталните закони на физиката или за изкуствено намаляване на скоростта на светлината като константа на природата. Забавя се единствено скоростта на разпространение на светлинния импулс вътре в специално създадена фотонна структура, докато отделните фотони продължават да се подчиняват на законите на електродинамиката.

Значението на новата технология

Практическото значение на подобна разработка е трудно да се подцени. Едно от основните ограничения на съвременните изчислителни системи е скоростта на обмена на данни между отделните компоненти. Производителите на процесори и ускорители за изкуствен интелект вече активно преминават към оптични интерфейси за предаване на информация, способни да осигурят значително по-голяма пропускателна способност при по-ниска консумация на енергия.

Програмируемите фотонни чипове могат да намерят приложение едновременно в няколко области. В телекомуникациите те могат да изпълняват функциите на интелигентни маршрутизатори на светлинните сигнали и да компенсират закъсненията при предаването на данните. В изчислителната техника технологията може да се използва за създаване на оптични съпроцесори и системи за фотонни изчисления. Освен това тя представлява голям интерес за квантовите комуникации, където прецизното управление на фотоните е едно от ключовите изисквания.

Някои експерти вече сравняват перспективите на подобни устройства с появата на програмируемите логически интегрални схеми (FPGA) в микроелектрониката. Досега за всяка фотонна задача се налагаше да се проектира отделен специализиран чип, но в бъдеще една универсална платформа ще може софтуерно да се адаптира към различните сценарии на използване.

Какво следва

През следващите няколко години е малко вероятно технологията да се появи в масовите потребителски устройства. Най-вероятните първите клиенти ще бъдат производителите на телекомуникационно оборудване, разработчиците на оптични връзки за центрове за данни и компаниите, работещи върху фотонни ускорители за изкуствен интелект.

Допълнителният интерес към подобни разработки се дължи на бързия растеж на пазара на фотонните изчисления. Най-големите технологични компании и стартъпи инвестират милиарди долари в създаването на оптични процесори, способни значително да намалят консумацията на електроенергия в центровете за обработка на данни, което се превръща в един от основните проблеми на ерата на генеративния ИИ.

Ако програмируемите фотонни чипове успеят да осигурят висока надеждност и мащабируемост на производството, то през следващото десетилетие те имат всички шансове да се превърнат в един от основните компоненти на инфраструктурата на бъдещите високопроизводителни изчислителни системи. Като забавят светлината буквално по команда на софтуера, инженерите получават още един инструмент, с който да направят оптичните изчисления толкова гъвкави, колкото са днес електронните.

Освен това устройството има широк потенциал при разработването на квантови повторители, ладарни (LiDAR) системи за автономни превозни средства и телекомуникационни мрежи от следващо поколение, където синхронизацията на данните с пикосекундна точност е от решаващо значение.

Успешното създаване на програмируем чип за забавяне на светлината показва, че преходът от електронни към изцяло фотонни изчислителни системи вече напуска теоретичната физика и се превръща в инженерна реалност.