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Addio transistor, gli switch ottici sono il futuro

Una collaborazione tra IBM e alcuni ricercatori russi ha portato allo sviluppo di switch ottici in grado di superare quelli tradizionali basati su transistor operando fino a 1.000 volte più velocemente. La ricerca, pubblicata su Nature, è uno dei passi necessari verso un futuro dell’informatica basato sulla luce, uno degli attuali candidati per la realizzazione di sistemi informatici molto più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

La luce è il mezzo di trasmissione più veloce in circolazione e questi switch ottici la utilizzano al posto dell’elettricità come input e output operativo. Mentre i transistor elettronici tradizionali rappresentano uno dei valori binari – 1 o 0 – “commutando” tra questi stati dopo che una tensione abbastanza forte li costringe a farlo, l’interruttore ottico descritto dai ricercatori può cambiare gli stati con l’unità più piccola ed efficiente di luce: un semplice fotone. Ciò porta a un’efficienza energetica per commutazione decine di volte migliore rispetto a quella dei transistor elettronici.

Pavlos Lagoudakis, fisico presso lo Skolkovo Institute of Science and Technology di Mosca, ha affermato: “La scoperta più sorprendente è stata che potevamo attivare lo switch ottico con la più piccola quantità di luce, un singolo fotone”. Ciò ha naturalmente implicazioni sia sull’efficienza energetica che sulle temperature di esercizio, che potrebbero consentire ai sistemi ottici di sostituire quelli basati su transistor non solo quando vi sono richieste velocità più elevate, ma anche quando vi sono vincoli di raffreddamento, energia o rumore elettronico per l’implementazione del sistema.

Photo Credit: Skoltech
Switch Ottici

Si prevede che le soluzioni di calcolo quantistico richiederanno lo sviluppo parallelo di dispositivi di segnalazione ottica che riducano le interferenze esterne e consentano una comunicazione più rapida e stabile tra sistemi quantistici scalabili. Quindi, questo sviluppo è importante non solo per i sistemi informatici tradizionali basati su Turing, anche se anche lì potrebbe portare ad accelerazioni operative.

Ma come funziona effettivamente lo switch? Laser e specchi. Gli scienziati hanno sviluppato un film polimerico semiconduttore organico largo 35 nanometri, che poi hanno inserito tra due specchi altamente riflettenti (i ricercatori li chiamano microcavità). Gli specchi fungono da gabbie per due laser che colpiscono il film polimerico, mantenendo la loro luce intrappolata all’interno, colpendo quanta più superficie possibile del polimero attraverso milioni (miliardi?) di riflessi tra entrambi gli specchi, coprendo così la superficie del polimero. L’aggiunta dei due fogli di materiale riflettente aumenta passivamente la portata dei laser, il che si traduce in un consumo energetico molto inferiore rispetto al guidare i laser attraverso l’intera superficie.

I due laser necessari per il funzionamento dello switch ottico assumono la forma di un laser a pompa luminoso e un laser seed debole. Il laser a pompa interagisce essenzialmente con la microcavità: i suoi fotoni ad alta potenza si accoppiano con gli eccitoni per formare gruppi di eccitoni-polaritoni. Questi ammassi, che sono essenzialmente raccolte di particelle, mostrano un comportamento caratteristico in quanto possono agire e agiscono come un singolo atomo. Quando mostrano questo comportamento, si chiamano condensati di Bose-Einstein. Ed è qui che il laser seed entra in azione: interagisce essenzialmente con questi condensati di Bose-Einstein, consentendo loro di passare a due stati misurabili, che fungono da 1 e 0 binario del calcolo classico.

Pavlo Lagoudakis afferma che, sebbene i loro risultati siano estremamente positivi, i sistemi di commutazione ed elaborazione basati sulla luce sono ancora lontani dall’implementazione tradizionale: “Ci sono voluti 40 anni perché il primo transistor elettronico entrasse in un personal computer e l’investimento di molti governi e aziende e migliaia di ricercatori e ingegneri. Spesso viene frainteso quanto tempo prima che una scoperta nella ricerca fisica fondamentale entri nel mercato“.

Tuttavia, la strada sembra aprirsi per un altro incredibile salto di prestazioni sia per i sistemi informatici classici che per quelli quantistici.