Российские учёные разработали «вентиль» для оптического компьютера: что это, и зачем он нужен?

Учёные из Сколтеха при содействии коллег из Университета Вупперталя (Германия) разработали универсальный логический элемент NOR (от английского NOT — оператор отрицания и OR — оператор логической суммы «или»). Основой разработки стали поляритонные конденсаторы. Устройство обладает скоростью, превышающую скорость электронных аналогов, функционирует при комнатной температуре, имеет большое количество входов и является полностью оптическим. Последнее говорит о том, что логический элемент работает без электрического тока.

Как пояснили учёные, это огромный шаг к появлению так называемых оптических компьютеров, которые будут не только мощнее своих традиционных аналогов, но и, как уже сообщалось, не потребуют электричества.

«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 1980-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», — рассказали авторы проекта.

Логические элементы (вентили) необходимы для выполнения разных операций, например, конъюнкция или отрицание. Если взять обычный центральный процессор, он состоит из миллиардов транзисторов, объединённых в такие логические элементы. Они получают входной сигнал, производят вычисления и выдают результат. На каждый вход подаётся логический «0» или «1», и эти же «0» или «1» выдаются на выходе, но уже в соответствии с предварительно заданными правилами. Электронные элементы традиционно имеют 2–8 входов и 1-2 выхода. Российская разработка успешно оперирует 12 входами.

«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. Мы же пошли дальше и научились конденсировать поляритоны не только в основное состояние, но и в неосновное — состояние с большей энергией. Этот эффект позволил решить давнюю проблему полностью оптических, логических элементов, заключающуюся в отключении оптического сигнала с помощью света, делая из логической единицы ноль», — добавил Денис Санников, один из разработчиков.

Команда учёных пояснили, фотоны не взаимодействуют друг с другом. Именно поэтому создание оптического «вентиля» долгое время было лишь теорией. В Сколтехе использовали уникальные свойства «жидкого света», который соединяет в себе возможности фотонов и электронов. Только так удалось теорию превратить в жизнь.