Fotony místo elektronů - jak je dnes daleko výpočetní fotonika?

29. červen 2015
Optická neboli fotonická informační technologie. Ilustrační obrázek

Informační a komunikační technologie současnosti je stále ještě založena na řízených pohybech elektronů ve vodičích, polovodičích a v dalších materiálech. Tento elektronický hardware sice umožňuje zdokonalování a zrychlování výpočetních a komunikačních procesů, má však některá omezení a nevýhody. Pokud by se nám podařilo vytvořit funkčně analogické součástky, využívající fotony místo elektronů, pokrok v informační technologii by se ještě více urychlil.

Fotony mají oproti elektronům tři hlavní výhody. Zaprvé, jejich rychlost je o několik řádů větší než u elektronů. Rychlost fotonů je dokonce rovna maximální rychlosti ve vesmíru - rychlosti světla. Zadruhé, případné fotonické součástky nelze na rozdíl od součástek elektronických zničit nebo negativně ovlivnit pomocí působení vnějších elektromagnetických polí. Elektrony totiž díky svému nenulovému elektrickému náboji velmi výrazně reagují na působení elektrických a magnetických sil. Oproti tomu nelze pohyb fotonů pomocí běžných polí tohoto typu ovlivnit prakticky nijak. Zatřetí, fotonické součástky by se během provozu výrazně nezahřívaly a nespotřebovávaly by proto tolik energie jako dnešní počítače.

Optická neboli fotonická informační technologie by samozřejmě musela zabezpečovat všechny potřebné funkce, které vykonávají dnešní elektronické součástky. Tedy zejména přenos informací, jejich zpracovávání a ukládání. V jedné oblasti fungují fotonické principy výborně už dnes - pokud jde o přenos informací, co do datové rychlosti a spolehlivosti, nic nemůže konkurovat skleněným optickým kabelům. Optické kabely a optická vlákna jsou od jisté doby neodmyslitelnou součástí informační technologie a velmi dobře spolupracují s elektronickými součástkami a přístroji. Jen je třeba na všechna rozhraní mezi elektronikou a optickými vlákny umístit odpovídající optoelektronické konvertory, které mění elektrické signály na optické a naopak.

Křemíkové mikrosoučástky o velikosti zrnka prachu štěpí vstupní paprsek infračerveného světla na dva výstupní

Pokud však jde o příslušné optické procesory, je situace mnohem složitější. Zde zatím neexistují masově vyráběné náhrady za elektronické spínače, procesory a polovodičové nebo magnetické paměti. V poslední době se však i zde daří odborníkům pomalu vytvářet některé části kýžené budoucí fotonické mozaiky. Fotonické procesory budou muset umět manipulovat buď s intenzitou, frekvencí, polarizací nebo s fází zpracovávaného světla. Fotonické paměti zase budou muset umět přímo konzervovat tyto detailní vlastnosti světelných polí.

Například na Stanfordské univerzitě a také na Utažské univerzitě se už podařilo odborníkům vytvořit křemíkové mikrosoučástky o velikosti zrnka prachu, které štěpí vstupní paprsek infračerveného světla na dva výstupní, buď se dvěma rozdílnými frekvencemi, nebo s různými polarizacemi. Křemík je totiž propustný pro infračervené světlo, stejně jako sklo pro světlo viditelné. Úspěchu bylo dosaženo díky přesně vypočítanému a vykrojenému tvaru vnitřních dutin, kterými světlo prochází a na jejichž hranici se ohýbá. Odborníci ze Stanfordu však dokázali mnohem více - jejich metoda “inverzního designu” umožňuje obecně navrhnout různou křemíkovou fotonickou mikrostrukturu podle toho, jakou funkci má “optický obvod” vykonávat.

Vědci zkoušejí integrovat fotonické prvky přímo na elektronické čipy nebo s jejich pomocí vyrábět výpočetní struktury podobné lidským neuronům s rychlými spoji - synapsemi

Francouzští vědci z laboratoře Kastler Brossel Laboratory při Pierre and Marie Curie University zase oznámili, že se jim povedlo dočasně uložit optickou informaci přímo v optických vláknech, díky interakcím světla s 2000 velmi podchlazených atomů Cesia. Světlo tak bylo jakoby na příkaz na chvíli “zastaveno” a za malou chvíli opět “vypuštěno” dál. Na řadě jiných pracovišť zase zkoušejí vědci integrovat fotonické prvky přímo na elektronické čipy nebo s jejich pomocí vyrábějí výpočetní struktury podobné lidským neuronům s rychlými spoji - synapsemi.

Zdroje: Phys.Org 1, Phys.Org 2, Phys.Org 3, Phys.Org 4, GizMag, Nature Photonics 1, Nature Photonics 2, Physical Review Letters, fossBytes, ScienceAlert, TechTimes, Futurism

Spustit audio
autor: Pavel Vachtl