Исследование с участием российских ученых поможет преодолеть ограничения в быстродействии современных вычислительных машин
Значительный шаг к созданию компьютеров будущего удалось сделать российским ученым совместно с зарубежными коллегами: они впервые смогли изучить внутреннюю структуру объемных фотонных кристаллов, которые считаются основой перспективной сверхбыстродействующей электроники. Понимание структуры позволит начать проектировать оптические компоненты вычислительной техники следующего поколения, в процессорах которой информацию будут нести не электроны, а фотоны. Ученые разных стран сейчас пытаются создать оптические компьютеры на смену нынешним полупроводниковым — но никому до сих пор не удавалось изучить структуру фотонных кристаллов, не разрушая их.
Быстродействие современных компьютеров ограничено физической природой полупроводниковых элементов, из которых они собраны. Считается, что прорыв в быстродействии могла бы совершить оптическая электроника, где вместо полупроводников будут использоваться фотонные кристаллы — структуры с периодически меняющимся показателем преломления. Их изучают во многих странах, но прорыв сумела сделать международная группа ученых из России, Германии и Нидерландов.
Как рассказал «Известиям» один из авторов работы, сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Беседин, научная группа применила к объемным фотонным кристаллам недавно разработанную методику под названием «птихография». Вещество подвергается воздействию рентгеновского излучения. Источником такого излучения послужил синхротрон центра исследований физики частиц DESY (Германия).
Чтобы понять разницу в качестве обычного источника рентгеновских лучей и синхротрона, можно сравнить костер и светодиод. Первый светит в большом диапазоне частот и куда попало, второй — на строго определенной частоте и в заданном направлении, — объяснил Илья Беседин.
По его словам, исследователям удалось «увидеть насквозь» структуру объемного фотонного кристалла.
Имея информацию о дефектах структуры, мы можем понять логику, по которой меняется направление движения светового луча, — рассказал ученый. — То есть можно попытаться собрать на основе фотонных кристаллов логические схемы. Правда, пока мы не умеем контролировать образование этих дефектов: можем только попытаться уменьшить его на макроуровне.
На следующем этапе работы планируется просвечивать фотонные кристаллы рентгеновским лазером. Это может дать еще более точную картину внутренней структуры, но здесь есть сложности.
Лазерный луч мощнее, чем исходящий из синхротрона. А при увеличении мощности многократно возрастает вероятность разрушения исследуемой структуры. Птихография же позволяет изучать ее, не разрушая, — пояснил Илья Беседин.
Его слова подтвердил «Известиям» доцент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира МФТИ в Объединенном институте ядерных исследований Алексей Жемчугов.
При изучении свойств фотонных кристаллов была великая трудность. Во время исследования структура разрушалась. Это как если руками трогать снежинку: представление о весе и форме получите, но снежинка растает. А группа из МИСиС и другие ученые сумели найти метод, который дает информацию о структуре фотонного кристалла без его разрушения.
Как рассказал «Известиям» доцент кафедры лазерной физики ФНИЦ «Кристаллографии и фотоники» Евгений Хайдуков, разработки оптических компьютеров на основе фотонных кристаллов ведутся, в том числе, в России. Однако для подобных систем пока не существует программного обеспечения.
Программисты к этому не готовы, — заявил Евгений Хайдуков.
Результаты работы международной исследовательской группы опубликованы в международном журнале о биотехнологиях, биоматериалах и междисциплинарном инжиниринге Small.
По мнению научного сотрудника лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Андрея Вишневого, первые промышленные модели полностью оптических компьютеров будут созданы не раньше чем через тридцать лет. Однако уже к концу десятилетия, возможно, появятся вычислительные системы на основе гибридных технологий: логические элементы микропроцессоров останутся полупроводниковыми, но шины обмена данными получат оптическую основу.
Мария Недюк