Wobec komputerów optycznych tradycyjne maszyny liczące, pomimo wieloletniego rozwoju, wciąż pozostają prymitywnymi narzędziami. Fotony jako nośniki informacji oraz udoskonalone światłowody przybliżają czas nadejścia rewolucji w technice komputerowej.
Pewna stara niemiecka opowieść mówi o mieszkańcach miasta Schilda, którzy zapomniawszy zrobić okna w swym nowym ratuszu, próbowali później wnosić do niego światło wiadrami. Historia ta była dotąd metaforą niemożliwego i przykładem głupoty ludzi niezdolnych do pojęcia ograniczeń natury. Jednak w laboratoriach monachijskiego Center for Nano-Science (CeNS) “uwięzienie” światła stało się rzeczywistością. Achimowi Wixforthowi wraz z zespołem badaczy udało się zmagazynować fotony, przechować przez chwilę przenoszoną przez nie informację, a następnie przesłać ją dalej.
Optyczne czary-mary
W ten sposób monachijscy naukowcy uczynili wielki krok na drodze do zbudowania komputera optycznego. Informatycy od dziesięcioleci marzą o komputerach opartych nie na przepływie elektronów, lecz na wykorzystaniu światła. Do przepływu elektronów potrzebny jest metal lub półprzewodnik. Ponadto prąd elektryczny ma swoje ograniczenia, z których najważniejsze to szybkość przemieszczania się nośników (ok. 2 cm/s). W porównaniu z nimi promień światła ma wręcz oszałamiające zalety:
- ogromna przepustowość: promień lasera może przekazać w ułamku sekundy całą treść Encyclopaedia Britannica.
- promień światła może się krzyżować z innymi promieniami, nie ulegając przy tym znaczącym zakłóceniom, tymczasem ścieżki, którymi “biegną” elektrony, muszą być od siebie izolowane.
- przez światłowód może płynąć jednocześnie światło o różnych długościach fali. Dlatego też komputery optyczne nadają się szczególnie dobrze do roli komputerów równoległych. Ta właśnie cecha będzie najistotniejsza dla maszyn liczących przyszłości.
- i wreszcie najważniejsze: komputery optyczne będą niewiarygodnie szybkie. Nauka nie zna niczego szybszego od światła, poruszającego się w próżni z prędkością 300 000 km/s.
| Cudowny wynalazek w uścisku pęsety: w tym małym przedmiocie można zamknąć światło. To jest prototyp optycznego układu pamięci. |  |
Założenia teoretyczne są kuszące, lecz wiele technologii niezbędnych, by rozpocząć masową produkcję, jeszcze nie istnieje. Opracowano już wprawdzie część komponentów niezbędnych do zaistnienia komputera optycznego, np. optyczne odpowiedniki tranzystorów, które przecież tworzą podstawę tradycyjnych komputerów. Najpoważniejszym problemem jest połączenie fotoniki z podzespołami elektronicznymi.
Naukowcy potrafią w warunkach laboratoryjnych zmontować działające komputery optyczne. Wykorzystuje się je do analizy obrazów: Scotland Yard za pomocą takiej eksperymentalnej maszyny przeszukuje bazę zawierającą zdjęcia przestępców, a Amerykanie w czasie wojny z Irakiem na pożyczonych z MIT komputerach analizowali satelitarne zdjęcia szpiegowskie. Jednak wiele niezbędnych komponentów wciąż jeszcze nie istnieje.
Nie rozwiązana pozostaje na przykład kwestia, jak w praktyce wykorzystać ogromną przepustowość promienia lasera. Poza tym optyczne komputery, podobnie jak tradycyjne, muszą być zaopatrzone w nośnik, na którym informacje mogą być przechowywane bez zniekształceń – odpowiednik pamięci RAM klasycznych pecetów. Taki nośnik odpowiadałby wiadrom mieszczan z Schildy: jego zadaniem byłoby zamiana informacji niesionych przez fotony, przechowywanie jej i zamienianie z powrotem w światło.
Obecnie “zapamiętuje się” nanosekundowe sygnały optyczne albo w długim, zwiniętym światłowodzie, wzdłuż którego biegnie promień, albo w postaci elektrycznej, w którą zostaje zamienione światło. Oba sposoby są kłopotliwe, drogie i niewygodne, nie nadające się do zastosowania w wydajnym, optycznym komputerze. Pierwszy ze względu na długość światłowodów (w ciągu sekundy światło może okrążyć Ziemię 7 razy), drugi z powodu znacznie spowolnionego dostępu do danych.
W porównaniu z tymi metodami świetlne pamięci opracowane przez zespół Wixfortha mają dużą zaletę: są tak małe, że można je ujrzeć dopiero pod mikroskopem. Pod mikroskopem elektronowym, w tysiąckrotnym powiększeniu, można zauważyć wielokrotnie mniejsze od muszych nóżek, grzebieniaste struktury wytrawione w kilkumilimetrowym chipie z półprzewodnika. U podstaw tego rozwiązania leży bardzo prosty, choć sprytny pomysł. “Zastanawiamy się, dlaczego nie wpadliśmy na to już dawno” – mówi dziś Achim Wixforth. Wykorzystał on bowiem zjawisko absorbcji. Każdy foton wybija jeden elektron, zmieniając jego stan energetyczny na wyższy. Ujemnie naładowany elektron opuszcza swoje miejsce, pozostawiając dodatnio naładowaną dziurę. Po kilku nanosekundach wpada jednak z powrotem na swoje miejsce. Wyzwala się przy tym energia w formie światła. W ten sposób zostaje znowu wyemitowany foton o identycznej energii jak zabsorbowany; tak powstaje fotoemisja (luminescencja).
Czas upływający między absorbcją fotonu a wystąpieniem luminescencji nie jest jednak wystarczający, aby na bazie tego naturalnego zjawiska budować pamięci fotonowe. Celem badań Wixfortha i jego zespołu było więc znalezienie takiego mechanizmu, który zatrzyma na dłużej elektrony oddzielone od dziur. Gdyby jeszcze udało się trzymać je rozdzielone przez określony, możliwy do regulowania czas, a później łączyć, powstałaby poszukiwana optyczna pamięć RAM.
—
| INFO Grupa dyskusyjna Pytania, uwagi i komentarze do artykułu można umieścić na grupie dyskusyjnej # Internet Projekt KAOS http://optics.colorado.edu/ HRC http://hea-www.harvard.edu/HRC/physics/optics.html High Performance Optoelectronic Communication Modules http://www.opticomp.com/HPOC.html Center for NanoScience http://www.nanoscience.uni-muenchen.de/ University of Bath – Optoelectronics Group http://www.bath.ac.uk/Departments/Physics/ groups/opto/research.htm |