Дослідники з Університету Монаша (Monash University) разом із колегами з Технологічного університету Сіднея (UTS) здійснили вагомий технологічний прорив у царині нанотехнологій та матеріалознавства. Вони розробили унікальну нанорозмірну схему, здатну генерувати, спрямовувати та зчитувати інформацію на основі світла безпосередньо всередині одного крихітного напівпровідникового чипа.
Ця інновація, детально описана в престижному науковому журналі Nature Photonics, вирішує фундаментальну проблему «вейлітроніки» (valleytronics) — перспективного напряму фізики, що здатний стати основою для надшвидких, енергоефективних обчислювальних систем майбутнього, штучного інтелекту (ШІ) та захищених квантових комунікацій.
Подолання головного «вузького місця» вейлітроніки
Сучасна мікроелектроніка базується на управлінні електричним зарядом електронів. Натомість вейлітроніка використовує квантовий ступінь свободи електронів (або оптичних хвиль) у кристалічній решітці, який називають «долинним індексом» (valley index). Спрощено це можна уявити як певні енергетичні мінімуми («долини»), де локалізуються хвилі, утворюючи унікальні інформаційні стани — біти нового покоління.
Досі головною перешкодою для практичного впровадження цієї технології була розрізненість систем: вчені вміли або генерувати такі сигнали, або реєструвати їх, але об'єднати всі процеси в межах єдиної інтегрованої системи не вдавалося. Нова розробка австралійських фізиків уперше демонструє повністю замкнений цикл обробки даних на одному кристалі.
Як працює нанофотоновий чип
Робота пристрою базується на поєднанні ультратонких двовимірних матеріалів, товщина яких становить лише кілька атомів, зі спеціально спроєктованими наноструктурами, що керують поведінкою світла на екстремально малих масштабах.
Світлові сигнали з певними квантовими характеристиками генеруються за допомогою атомарно тонких шарів. Далі розроблені дослідниками наноструктури виконують роль своєрідних «рейок» або хвилеводів, які безпомилково сортують та направляють світлові потоки у потрібних напрямках залежно від їхньої квантової полярності. На фінальному етапі вбудовані елементи чипа конвертують оптичну інформацію у звичайні електричні сигнали, які можуть бути зчитані стандартними комп'ютерними інтерфейсами.
Формально квантові процеси взаємодії світла з наноструктурами підпорядковуються рівнянням Максвелла для анізотропних середовищ та законам збереження кутового моменту фотонів, де просторовий розподіл поля описується тензором діелектричної проникності. Саме точне налаштування цих параметрів на нанометровому рівні дозволило керувати світлом без втрати інформації.
Перспективи для квантового майбутнього та ШІ
Створення подібних замкнених фотонних ланцюгів відкриває прямий шлях до проектування нового класу компактних, програмованих пристроїв. Оскільки світло рухається значно швидше за електрони у мідних дротах чи кремнієвих каналах і майже не виділяє тепла під час руху крізь наноструктури, нова технологія здатна радикально зменшити енергоспоживання сучасних дата-центрів та ШІ-процесорів.
Окрім цього, здатність надійно кодувати інформацію у квантових станах світла є ключовим елементом для створення абсолютно захищених каналів зв’язку та масштабування архітектур квантових комп’ютерів. Цей крок наближає вейлітроніку до стадії промислового виробництва і масового застосування в ІТ-індустрії.