Światło jest wręcz irytująco dobre w przemieszczaniu się. Wpada do układu, pokonuje przygotowaną ścieżkę i chce natychmiast znaleźć się po drugiej stronie. W telekomunikacji jest to spełnienie marzeń, ale komputer potrzebuje czegoś więcej niż samego pośpiechu. Musi synchronizować sygnały, zatrzymywać je na krótką chwilę, kolejkować, przekształcać i dopilnować, żeby właściwe porcje informacji spotkały się we właściwym miejscu oraz czasie. Każdy, kto programował cokolwiek pod wykorzystywanie wielu wątków, doskonale wie, o czym mowa.
Dlatego też wydaje mi się, że naukowcy z Korei Południowej dotknęli właśnie jednego z najbardziej paradoksalnych problemów komputerów optycznych. Zamiast po raz kolejny przyspieszać światło, opracowali programowalną strukturę, która ma działać jak jego hamulec. Nie zatrzymuje fotonów na czerwonym świetle, ale pozwala zmieniać opóźnienie impulsów już po wyprodukowaniu układu. Właśnie ta możliwość rekonfiguracji może okazać się brakującym elementem optycznych komputerów.
Komputer nie może składać się wyłącznie z autostrad
W klasycznym układzie elektronicznym przechowywanie i opóźnianie informacji jest czymś zupełnie naturalnym. Ładunek można zamknąć w komórce pamięci, zatrzymać w buforze, przepuścić przez rejestr albo zmusić do oczekiwania na sygnał zegara. Elektrony może i nie są idealnymi nośnikami informacji, ale przez dziesięciolecia nauczyliśmy się traktować je jak posłusznych pracowników fabryki.
Czytaj też: USA wskrzesiły pomysł z zimnej wojny. Teraz ma leczyć raka i budować komputery kwantowe
Ze światłem jest trudniej. Możemy prowadzić je falowodami, dzielić między kanały, filtrować, modulować oraz przesyłać na ogromne odległości. Kiedy jednak chcemy zachować impuls przez chwilę bez natychmiastowego zamieniania go na sygnał elektryczny, zaczyna brakować prostych odpowiedników elektronicznych buforów. Nie jest to nic nowego, bo ten problem było już widać przy optycznych połączeniach rozwijanych przez MIT. Same transfery liczone w petabitach na sekundę nie wystarczą, jeśli nie umiemy sprawnie połączyć elementów i kontrolować przepływu danych. Z kolei w chińskim systemie, który połączył programowalne układy FPGA światłem, fotonika pełniła głównie funkcję bardzo szybkiej sieci. Obliczenia nadal wykonywała elektronika.
Koreański projekt próbuje uzupełnić tę układankę o coś przypominającego regulowane skrzyżowanie. Nie chodzi już wyłącznie o to, żeby impuls dotarł do celu, ale żeby dotarł dokładnie wtedy, kiedy oczekuje go reszta systemu.
Prawa fizyki pozostały na swoim miejscu
Światło w próżni nadal porusza się z prędkością około 300000 km/s, a naukowcy nie znaleźli pokrętła, którym można regulować prawa natury. Mowa tutaj bardziej o zmniejszeniu prędkości grupowej impulsu świetlnego przemieszczającego się przez specjalnie zaprojektowaną strukturę. Impuls nie jest pojedynczym fotonem jadącym prostą drogą, ale paczką fal o określonym zakresie częstotliwości. Kiedy fale przechodzą przez ośrodek lub układ rezonatorów, interferencja i dyspersja mogą zmienić sposób, w jaki przemieszcza się obwiednia całego impulsu.
Można to porównać do grupy ludzi przedzierających się przez system obrotowych drzwi i korytarzy. Każdy z nich nadal porusza się zwykłym tempem, ale cała grupa potrzebuje więcej czasu, żeby przejść przez budynek. W fotonice rolę takich drzwi pełnią rezonatory, w których światło może krążyć przez określony czas, zanim powróci do głównego falowodu. Omawiana technologia wykorzystuje zjawisko CRIT, czyli przezroczystość indukowaną sprzężonymi rezonatorami. Kilka rezonatorów zostaje połączonych w taki sposób, że interferencja otwiera wąskie pasmo częstotliwości, przez które światło może przejść, ale jednocześnie jego impuls doznaje opóźnienia.
Jasny i ciemny tryb zaczynają działać jak jeden układ
W strukturach CRIT ważną rolę pełnią tak zwane tryby jasny i ciemny. Pierwszy jest silnie połączony z głównym falowodem, więc łatwo odbiera oraz oddaje energię. Drugi pozostaje słabiej sprzężony z otoczeniem i potrafi utrzymać energię przez dłuższy czas. Odpowiednia interferencja między nimi tworzy okno transmisyjne oraz pozwala opóźnić impuls.
Czytaj też: Czym będzie komputer kwantowy? Spytałem o to szefa IBM, który rozwiał mit [WYWIAD]
Problem w tym, że dotychczasowe układy tego typu były w znacznej mierze determinowane przez własną geometrię. Po wyprodukowaniu chipu jego pasmo pracy, charakterystyka transmisji oraz osiągane opóźnienie pozostawały praktycznie stałe. Potrzeba innego zakresu częstotliwości albo dłuższej linii opóźniającej oznaczała konieczność zaprojektowania nowej struktury. Zespół naukowców spojrzał zaś na jasny i ciemny tryb jak na jeden wspólny stopień swobody, opisując go za pomocą reprezentacji spinorowej. Następnie dołożyli dwa regulowane sprzęgacze pętlowe, które pozwalają zmieniać relacje fazowe i siłę połączenia między rezonatorami.
Efekt? Ten sam układ ma zmieniać szerokość oraz kształt pasma transmisyjnego, poziom opóźnienia, charakterystykę przepuszczania sygnału, a nawet częstotliwość światła. Zamiast budować osobny element do każdej funkcji, można byłoby przeprogramowywać zachowanie jednej struktury. Dla mnie właśnie tutaj znajduje się najważniejsza część całej pracy, bo fotonika od dawna potrafi wykonywać niezwykłe sztuczki, ale często przypomina pod tym względem elektronikę sprzed epoki programowalnych procesorów. Układ wykonuje jedną funkcję bardzo szybko i energooszczędnie, ale niewiele da się z nim później zrobić. Programowalny hamulec dla światła przybliża fotonikę do świata, w którym właściwości sprzętu nie muszą być raz na zawsze zamknięte w jego geometrii.
Symulacja pokazała dwukrotne spowolnienie impulsu
Badacze sprawdzili koncepcję w numerycznym modelu składającym się z 60 komórek CRIT. W trakcie przemieszczania się impulsu zmienili ustawienia sprzęgaczy, przełączając strukturę z jednego szerokiego pasma na dwa węższe stany wolnego światła. Obliczony współczynnik grupowy wzrósł z około 16 do 33, co odpowiadało mniej więcej dwukrotnemu zmniejszeniu prędkości grupowej impulsu. Jednocześnie jego widmo zostało rozdzielone na pasma położone przy około 0,96 i 1,04 częstotliwości początkowej. W praktyce układ nie tylko spowolnił impuls, ale również zmienił jego charakterystykę częstotliwościową bez dokładania osobnego konwertera.
Autorzy przeanalizowali również możliwość wykonania rozwiązania na platformie fotonicznej z azotku krzemu. Jest to materiał dobrze znany w zintegrowanej fotonice, ceniony między innymi za niskie straty optyczne oraz możliwość tworzenia rezonatorów o wysokiej dobroci. Rozważana jest także fotonika oparta na cienkich warstwach niobianu litu. Według szacunków autorów szybkość przełączania mogłaby mieścić się w zakresie od kilku megaherców do gigaherców, zależnie od platformy i sposobu sterowania.
Optyczny komputer potrzebuje pamięci, zegara i skrzyżowań
Wizja komputerów optycznych bywa przedstawiana zbyt prosto. Wymieniamy elektrony na fotony, podnosimy przepustowość, obniżamy pobór energii i gotowe. W praktyce światło nie zastąpi całej elektroniki jednym ruchem, bo trzeba jeszcze opracować odpowiedniki prawie całej infrastruktury, którą przez dekady zbudowaliśmy wokół tranzystorów. Oznacza to, że potrzebne są źródła światła, modulatory, detektory, niskostratne falowody, sprzęgacze, przełączniki, konwertery, elementy pamięci i właśnie regulowane linie opóźniające. Trzeba też produkować je masowo, łączyć z elektroniką oraz utrzymywać stabilność parametrów mimo zmian temperatury i błędów produkcyjnych.
Dobrze widać to przy próbach wykonania niskostratnych układów fotonicznych dla światła widzialnego. Prowadzenie fotonów po chipie samo w sobie nadal stanowi wyzwanie, zwłaszcza kiedy długość fali maleje, a każda niedoskonałość struktury zaczyna silniej rozpraszać sygnał. Programowalny CRIT nie rozwiązuje wszystkich tych problemów. Uzupełnia jednak zestaw narzędzi o element, który może jednocześnie synchronizować sygnały, pełnić funkcję zmiennej linii opóźniającej, tworzyć optyczny bufor oraz przeprowadzać konwersję częstotliwości.
Czytaj też: Komputer kwantowy i silnik zbudowany z kubitu. Tak termodynamika wchodzi do przyszłości obliczeń
W serwerze oznaczałoby to możliwość lepszego koordynowania przepływu danych między akceleratorami i pamięcią. W telekomunikacji jeden programowalny element mógłby przejmować zadania kilku nieruchomych układów. W systemach kwantowych regulowane opóźnienie pomagałoby synchronizować impulsy oraz fotony docierające z różnych części układu. Na tym etapie są to jednak kierunki rozwoju, a nie obietnice gotowych produktów, bo choć przyszłość obliczeń być może rzeczywiście będzie działać z wykorzystaniem światła, ale najpierw musimy jednak nauczyć się sprawnie naciskać jego hamulec.
Źródła: Advanced Science, arXiv, Seoul National University
