“Bóng bán dẫn” quang học cực kỳ tiết kiệm năng lượng mới Tăng tốc độ tính toán lên đến 1.000 lần

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Skoltech và IBM đứng đầu đã tạo ra một công tắc quang cực kỳ tiết kiệm năng lượng có thể thay thế các bóng bán dẫn điện tử trong một thế hệ máy tính mới sử dụng photon thay vì electron. Ngoài khả năng tiết kiệm điện trực tiếp, công tắc không cần làm mát và thực sự nhanh: Với tốc độ 1 nghìn tỷ hoạt động mỗi giây, nó nhanh hơn từ 100 đến 1.000 lần so với các bóng bán dẫn thương mại hàng đầu hiện nay. Nghiên cứu được công bố vào ngày 22 tháng 9 năm 2021, trên tạp chí Nature .

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Tiến sĩ Anton Zasedatelev nhận xét: “Điều làm cho thiết bị mới tiết kiệm năng lượng đến mức chỉ cần một vài photon để chuyển đổi. “Trên thực tế, trong phòng thí nghiệm Skoltech của chúng tôi, chúng tôi đã đạt được khả năng chuyển đổi chỉ với một photon ở nhiệt độ phòng! Điều đó nói rằng, còn một chặng đường dài phía trước trước khi trình diễn chứng minh nguyên lý như vậy được sử dụng trong một bộ đồng xử lý toàn quang học, ”Giáo sư Pavlos Lagoudakis, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Quang tử lai tại Skoltech cho biết thêm.

Vì photon là hạt ánh sáng nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên, nên thực sự không có nhiều khả năng để cải thiện hơn nữa về mức tiêu thụ điện năng. Hầu hết các bóng bán dẫn điện hiện đại cần nhiều năng lượng hơn hàng chục lần để chuyển đổi, và những bóng bán dẫn sử dụng các electron độc thân để đạt được hiệu suất tương đương thì chậm hơn.

Bên cạnh các vấn đề về hiệu suất, các bóng bán dẫn điện tử tiết kiệm điện cạnh tranh cũng có xu hướng yêu cầu thiết bị làm mát cồng kềnh, do đó tiêu thụ điện năng và các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí vận hành. Công tắc mới hoạt động thuận tiện ở nhiệt độ phòng và do đó tránh được tất cả những vấn đề này.

Ngoài chức năng giống như bóng bán dẫn chính, công tắc có thể hoạt động như một thành phần liên kết các thiết bị bằng cách chuyển dữ liệu giữa chúng dưới dạng tín hiệu quang học. Nó cũng có thể hoạt động như một bộ khuếch đại, tăng cường độ của chùm tia laser tới lên đến 23.000.

Làm thế nào nó hoạt động

Thiết bị dựa vào hai tia laser để đặt trạng thái của nó thành “0” hoặc “1” và chuyển đổi giữa chúng. Một chùm tia laser điều khiển rất yếu được sử dụng để bật hoặc tắt chùm tia laser khác sáng hơn. Nó chỉ mất một vài photon trong chùm điều khiển, do đó hiệu suất cao của thiết bị.

Việc chuyển đổi xảy ra bên trong một vi trọng lực – một polyme bán dẫn hữu cơ mỏng 35 nanomet được kẹp giữa các cấu trúc vô cơ có tính phản xạ cao. Vi trọng lực được xây dựng theo cách để giữ cho ánh sáng tới bị mắc kẹt bên trong càng lâu càng tốt để có lợi cho sự kết hợp của nó với vật liệu của khoang.

Sự kết hợp vật chất ánh sáng này tạo nên cơ sở của thiết bị mới. Khi các photon kết đôi mạnh mẽ với các cặp lỗ trống liên kết – hay còn gọi là exciton – trong vật liệu của khoang, điều này làm phát sinh các thực thể tồn tại trong thời gian ngắn gọi là exciton-polaritons, là một loại quasiparte nằm ở trung tâm hoạt động của công tắc.

Khi tia laser bơm – sáng hơn một trong hai – chiếu vào công tắc, điều này tạo ra hàng nghìn quasipar giống hệt nhau ở cùng một vị trí, tạo thành cái gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, mã hóa trạng thái logic “0” và “1” của thiết bị.

Để chuyển đổi giữa hai cấp độ của thiết bị, nhóm nghiên cứu đã sử dụng xung laser điều khiển gieo hạt ngưng tụ ngay trước khi xung laser bơm xuất hiện. Kết quả là, nó kích thích quá trình chuyển đổi năng lượng từ tia laser của máy bơm, thúc đẩy lượng chuẩn hạt ở điểm ngưng tụ. Lượng hạt cao trong đó tương ứng với trạng thái “1” của thiết bị.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một số tinh chỉnh để đảm bảo tiêu thụ điện năng thấp: Đầu tiên, việc chuyển mạch hiệu quả được hỗ trợ bởi sự rung động của các phân tử polyme bán dẫn. Bí quyết là so sánh khoảng cách năng lượng giữa các trạng thái bơm và trạng thái ngưng tụ với năng lượng của một rung động phân tử cụ thể trong polyme. Thứ hai, nhóm nghiên cứu đã tìm ra bước sóng tối ưu để điều chỉnh tia laser của họ và thực hiện một sơ đồ đo mới cho phép phát hiện chất ngưng tụ trong một lần chụp. Thứ ba, tia laser điều khiển gieo hạt ngưng tụ và sơ đồ phát hiện của nó được khớp theo cách triệt tiêu nhiễu từ phát xạ “nền” của thiết bị. Các biện pháp này đã tối đa hóa mức tín hiệu trên nhiễu của thiết bị và ngăn không cho một lượng dư năng lượng bị hấp thụ bởi vi trọng lực, vốn chỉ làm nóng thiết bị thông qua các dao động phân tử.

“Vẫn còn một số công việc trước mắt chúng tôi để giảm mức tiêu thụ điện năng tổng thể của thiết bị của chúng tôi, hiện đang bị chi phối bởi tia laser bơm giữ cho công tắc luôn bật. Một lộ trình hướng tới mục tiêu đó có thể là các vật liệu siêu tinh thể perovskite giống như những vật liệu chúng tôi đang khám phá cùng các cộng tác viên. Họ đã chứng minh được những ứng cử viên xuất sắc nhờ sự kết hợp vật chất ánh sáng mạnh mẽ của họ, từ đó dẫn đến phản ứng lượng tử tập thể mạnh mẽ dưới dạng siêu huỳnh quang, ”nhóm nghiên cứu nhận xét.

Trong sơ đồ lớn hơn của mọi thứ, các nhà nghiên cứu coi công tắc mới của họ chỉ là một trong bộ công cụ ngày càng tăng của các thành phần quang học mà họ đã lắp ráp trong vài năm qua. Trong số những thứ khác, nó bao gồm một ống dẫn sóng silicon suy hao thấp để ngắt tín hiệu quang học qua lại giữa các bóng bán dẫn. Sự phát triển của các thành phần này đưa chúng ta đến gần hơn với máy tính quang học có thể điều khiển các photon thay vì các electron, dẫn đến hiệu suất vượt trội hơn rất nhiều và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Nghiên cứu tại Skoltech được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Nga (RSF).

Tham khảo: “Phi tuyến đơn photon ở nhiệt độ phòng” của Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Denis Sannikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Vladislav Yu. Shishkov, Evgeny S. Andrianov, Yurii E. Lozovik, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt và Pavlos G. Lagoudakis, 22 tháng 9 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03866-9

Theo Scitechdaily