Да будет свет. Логика и память фотона.

А: фотохромные молекулы встроены в наногранулы из полистирола PS. B: график сохранения фотофизических свойств молекул при внедрении в наногранулы: сравнены УФ и видимые спектры молекул в растворе толуола и наногранул (шариков PS) в воде. Cслева: двумерная решётка с гранулами, где электрически заряженные наночастицы могут быть размещены под воздействием внешнего электрического поля на заранее определённый шаблон. С справа: эскиз оптического эксперимента, подвергающего шарики воздействию ультрафиолетового (сверху) и видимого (снизу) излучения с помощью двух объективов микроскопа. Источник.

Этим летом удалось воплотить давнюю мечту вычислительной инженерии. Объединённая команда специалистов по физической химии из Мельбурнского университета (Австралия) и физиков и химиков из Байройтского университета (Германия) реализовали фотонные блоки с оптической коммутацией, которые обеспечивают точную адресацию отдельных блоков. Это означает, что перспективы надёжно хранить и считывать двоичную информацию исключительно оптическим способом стали осязаемы. Об этом сообщается в журнале Advanced Optical Materials.

Электроника — одно из важнейших изобретений прошлого века, чьё влияние на нашу повседневную жизнь переоценить просто невозможно. Она дала всей цивилизации возможность сделать огромнейший шаг вперёд виде информационно-вычислительных технологий. Подумать только: всего лишь набор интегральных схем, соответствующим образом организованных в сети взаимосвязанных элементов, только за счёт пусть и простейших, но уже логических операций, привёл нас к созданию нейросетей, которые мы с удовольствием называем искусственным интеллектом.

Этот самый ИИ требует от нас всё больших и больших вычислительных мощностей, мы же тем временем всё ближе подходим к набившей оскомину границе физических возможностей уменьшения производственного техпроцесса. При том, что наука уже давно пытается создать альтернативные квантовые вычисления, обуздав кубиты, полноценного решения задачи пока не видно даже на горизонте.

Помимо этого, в последние несколько десятилетий большое внимание уделялось разработке функций молекулярных логических схем. Однако переходы между молекулярными состояниями нередко подвергались погрешностям, вызываемым диффузией. Например, ферментативные (ускоренные белками) реакции, изменения рН и температуры довольно серьёзно замедляют скорость работы этих устройств. 

Поэтому исследователи обращают внимание на оптику и родственную ей фотонику. В отличие от генерации двоичного выходного сигнала в виде нуля или единицы, зависящих от комбинации электронных сигналов на входе логического элемента, оптический выход, приводимый в действие светом, напротив, позволяет использовать не только интенсивность фотонного потока, но и другие его характеристики. Это вдохновило многих исследователей на изучение потенциала полностью оптической обработки данных.

«При работе со светом вы можете использовать не только силу сигнала (количество фотонов), но также длину волны (цвет или частоту) или поляризацию (направление колебаний) для различения сигналов», — объясняет доктор Юрген Келер, профессор, заведующий кафедрой спектроскопии мягких веществ Байройтского университета.

Так и получается, что, теоретически, предлагая больше, чем электроны, возможностей для мультиплексирования (передачи нескольких потоков данных по одному каналу), свет открывает возможности для массового распараллеливания передачи данных. Поэтому в области хранения данных высокой плотности, как и в сфере сверхбыстрых коммуникаций, полностью оптические схемы так и не сбрасывались со счетов, а сегодня переход от электрических к оптическим сетям и подавно привлекает внимание.

Однако эта задача, являясь своего рода конкурирующей технологией по отношению к нашумевшим квантовым вычислениям, сложностью реализации оказалась им весьма под стать. Первые удачные попытки уже насчитывают около 40 лет. По крайней мере первый цифровой оптический компьютер, выполнявший сложную последовательность команд, был представлен электротехником Кейтом Дженкинсом из Университета Южной Калифорнии в далёком 1984 году. В прошлом же году Microsoft показала свой аналоговый оптический компьютер нового типа. В нём реализована обработка непрерывных данных посредством объединения фотоники и электронных компонентов. В пресс-релизе компании говорится, что их «инновационная машина обладает потенциалом превзойти самые современные цифровые технологии и преобразовать вычисления в ближайшие годы».

Всё это были важные ступени на пути к чистым оптическим вычислениям. Хотя базовая функциональность оптического транзистора была продемонстрирована в нескольких контрольных экспериментах, используемые системы имели множество недостатков. Среди основных в статье упоминаются низкий коэффициент усиления, криогенные (-153°С) условия и критическая важность нелинейных взаимодействий света и вещества, которым требуются сильные электрические поля (очень высокая интенсивность света). А при решении этих проблем возникала другая — самоорганизующиеся наноструктуры в составе фотоматриц.

Да, разработка фотонных устройств приёма–передачи сигналов оказалась сложнейшей задачей. Ей требуются материалы с высокой фотохимической и фотофизической стабильностью, высокой усталостной прочностью, быстрым откликом, термически необратимой бистабильностью (постоянством свойств при изменении температур), а также подходящие экспериментальные протоколы для неподвижности источников и приёмников фотонов. Все эти слабые места до сих пор препятствовали разработке полностью оптических логических схем.

Выход нашёлся в виде фотопереключаемых молекул, умеющих преобразовываться между двумя бистабильными изомерными формами за счёт поглощения света двух разных длин волн. Этот подход стал многообещающей платформой для оптического кодирования информации в виде присутствия или отсутствия определённого изомера, но с ними были свои проблемы. Однако нашим сегодняшним героям удалось их решить, применив новый класс фотохромных молекул, благодаря которым получилось создать «строительные блоки» фотонного процессора. Они позволяют обратимо генерировать двоичные выходные сигналы с высокой мощностью распознавания и считывания., чтобы записать алфавит на одном и том же участке массива микроструктур

Иными словами, минимально необходимый функционал логических элементов, работающих на фотонах, а не электронах, всё-таки реализован, хотя сами авторы считают своё открытие даже не прототипом будущей технологии, а лишь первым шагом — только фабулой для понимания метода. Несмотря на это, корректное выполнение сотни циклов чтения, записи и стирания данных на одних и тех же полимерных сферах массива микроструктур, состоящих из фотохромных молекул памяти, показало всю значимость проведённой работы. Так что работоспособность чисто оптической обработки и хранения информации подтверждена эмпирически, а значит технологии подобрались к новому витку развития.

АРМК, по материалам Байройтского университета.