“ترانزستور” ضوئي جديد موفر للطاقة للغاية يسرع الحساب حتى 1000 مرة

مفهوم الكمبيوتر المستقبلي

قام فريق بحث دولي بقيادة Skoltech و IBM بإنشاء مفتاح ضوئي موفر للطاقة للغاية يمكن أن يحل محل الترانزستورات الإلكترونية في جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر التي تتعامل مع الفوتونات بدلاً من الإلكترونات. بالإضافة إلى التوفير المباشر للطاقة ، لا يتطلب المحول أي تبريد وهو سريع حقًا: بمعدل 1 تريليون عملية في الثانية ، يكون أسرع بما بين 100 إلى 1000 مرة من الترانزستورات التجارية من الدرجة الأولى اليوم. تم نشر الدراسة في 22 سبتمبر 2021 ، في طبيعة سجية.

علق المؤلف الأول للدراسة ، الدكتور أنطون زاسيداتيليف ، “ما يجعل الجهاز الجديد موفرًا للطاقة هو أنه لا يتطلب سوى بضعة فوتونات للتبديل”. “في الواقع ، في مختبرات Skoltech الخاصة بنا ، حققنا التبديل بفوتون واحد فقط في درجة حرارة الغرفة! وقال البروفيسور بافلوس لاجوداكيس ، الذي يرأس مختبرات الفوتونات الهجينة في سكولتيك: “ومع ذلك ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يتم استخدام هذا العرض التوضيحي لإثبات المبدأ في معالج مشترك كامل البصريات”.

نظرًا لأن الفوتون هو أصغر جسيم ضوئي موجود في الطبيعة ، فليس هناك مجال كبير للتحسين بعد ذلك فيما يتعلق باستهلاك الطاقة. تستهلك معظم الترانزستورات الكهربائية الحديثة طاقة أكثر بعشرات المرات للتبديل ، والترانزستورات التي تستخدم إلكترونات مفردة لتحقيق كفاءات مماثلة تكون أبطأ بكثير.

إلى جانب مشكلات الأداء ، تميل الترانزستورات الإلكترونية المتنافسة الموفرة للطاقة أيضًا إلى طلب معدات تبريد ضخمة ، والتي بدورها تستهلك الطاقة وعوامل في تكاليف التشغيل. يعمل المفتاح الجديد بشكل ملائم في درجة حرارة الغرفة وبالتالي يتغلب على كل هذه المشكلات.

بالإضافة إلى وظيفته الأساسية الشبيهة بالترانزستور ، يمكن أن يعمل المفتاح كمكون يربط الأجهزة عن طريق نقل البيانات بينها في شكل إشارات ضوئية. يمكن أن يعمل أيضًا كمكبر للصوت ، مما يزيد من شدة شعاع الليزر الوارد بعامل يصل إلى 23000.

كيف تعمل

يعتمد الجهاز على جهازي ليزر لضبط حالته على “0” أو “1” والتبديل بينهما. يتم استخدام شعاع ليزر تحكم ضعيف جدًا لتشغيل أو إيقاف تشغيل شعاع ليزر أكثر إشراقًا. لا يتطلب الأمر سوى عدد قليل من الفوتونات في حزمة التحكم ، وبالتالي كفاءة الجهاز العالية.

يحدث التبديل داخل تجويف دقيق – بوليمر عضوي رقيق يبلغ طوله 35 نانومترًا محصورًا بين هياكل غير عضوية عاكسة للغاية. تم بناء التجويف الصغير بطريقة تحافظ على الضوء الوارد محاصرًا بالداخل لأطول فترة ممكنة لتفضيل اقترانه بمادة التجويف.

يشكل اقتران المادة الخفيفة أساس الجهاز الجديد. عندما تقترن الفوتونات بقوة بأزواج ثقوب إلكترونية مرتبطة – ويعرف أيضًا باسم الإكسيتونات – في مادة التجويف ، فإن هذا يؤدي إلى كيانات قصيرة العمر تسمى إكسيتون بولاريتون ، وهي نوع من أشباه الجسيمات في قلب عملية التبديل.

عندما يضيء ليزر المضخة – الأكثر إشراقًا من الاثنين – على المفتاح ، فإن هذا يخلق الآلاف من أشباه الجسيمات المتطابقة في نفس الموقع ، مشكلاً ما يسمى بتكثيف بوز-آينشتاين ، الذي يشفر الحالتين المنطقيتين “0” و “1” الجهاز.

للتبديل بين مستويي الجهاز ، استخدم الفريق نبضة ليزر تحكم بذر المكثف قبل وقت قصير من وصول نبضات الليزر بالمضخة. ونتيجة لذلك ، فإنه يحفز تحويل الطاقة من مضخة الليزر ، مما يزيد من كمية أشباه الجسيمات في المكثف. تتوافق الكمية الكبيرة من الجسيمات الموجودة مع الحالة “1” للجهاز.

استخدم الباحثون عدة تعديلات لضمان انخفاض استهلاك الطاقة: أولاً ، تم دعم التبديل الفعال من خلال اهتزازات جزيئات البوليمر شبه الموصلة. كانت الحيلة هي مطابقة فجوة الطاقة بين حالات الضخ وحالة التكثيف مع طاقة اهتزاز جزيئي معين في البوليمر. ثانيًا ، تمكن الفريق من العثور على الطول الموجي الأمثل لضبط الليزر الخاص بهم وفقًا لمخطط قياس جديد يتيح اكتشاف المكثفات أحادية الطلقة. ثالثًا ، تم مطابقة بذر ليزر التحكم للمكثفات ونظام الكشف الخاص به بطريقة قمعت الضوضاء من انبعاث “الخلفية” للجهاز. أدت هذه التدابير إلى زيادة مستوى الإشارة إلى الضوضاء للجهاز ومنع امتصاص فائض الطاقة بواسطة التجويف الصغير ، والذي لن يؤدي إلا إلى تسخينه من خلال الاهتزازات الجزيئية.

“لا يزال أمامنا بعض العمل لخفض إجمالي استهلاك الطاقة لجهازنا ، والذي يهيمن عليه حاليًا ليزر المضخة الذي يحافظ على المفتاح قيد التشغيل. قد يكون الطريق نحو هذا الهدف عبارة عن مواد من مادة البيروفسكايت الفائقة البلورية مثل تلك التي نستكشفها مع المتعاونين. لقد أثبتوا أنهم مرشحون ممتازون بالنظر إلى اقترانهم القوي بالمادة الخفيفة والذي يؤدي بدوره إلى استجابة كمية جماعية قوية في شكل تألق فائق “، يعلق الفريق.

في المخطط الأكبر للأشياء ، يرى الباحثون أن مفتاحهم الجديد ليس سوى مفتاح واحد في مجموعة الأدوات المتزايدة لجميع المكونات البصرية التي قاموا بتجميعها خلال السنوات القليلة الماضية. من بين أشياء أخرى ، يتضمن الدليل الموجي السيليكوني منخفض الفقد لنقل الإشارات الضوئية ذهابًا وإيابًا بين الترانزستورات. يقرّبنا تطوير هذه المكونات من الحواسيب الضوئية التي من شأنها معالجة الفوتونات بدلاً من الإلكترونات ، مما يؤدي إلى أداء فائق إلى حد كبير واستهلاك أقل للطاقة. تم دعم البحث في Skoltech من قبل مؤسسة العلوم الروسية (RSF).

المرجع: “اللاخطية أحادية الفوتون في درجة حرارة الغرفة” بقلم أنطون ف. شيشكوف ، إيفجيني س.أندريانوف ، يوري إي لوزوفيك ، أولريش شيرف ، ثيلو ستوفرلي ، راينر إف مارت وبافلوس جي لاغوداكيس ، 22 سبتمبر 2021 ، طبيعة سجية.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03866-9

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *