Світ уже давно живе завдяки мікросхемам, у яких мільярди транзисторів керують потоками електронів. Але тепер на горизонті може з’явитися нова технологічна революція — обчислення за допомогою світла. Вчені з National Institute of Standards and Technology розробили унікальні фотонні чипи, здатні працювати не з електрикою, а з фотонами.

Створення схем для світла, таких же потужних і повсюдних, як схеми для електронів, є одним із сучасних технологічних рубежів, каже Скотт Папп, фізик NIST, чия група керувала дослідженням, опублікованим у Nature.

Ці мікросхеми використовують світло для передачі та обробки інформації. Усередині них розміщені лазери, хвилеводи, фільтри та перемикачі, які керують світловими сигналами так само, як звичайні чипи керують електричними струмами.

Головна перевага світла — швидкість. Фотони рухаються швидше за електрони і можуть передавати інформацію з меншими втратами. Саме тому фотоніка розглядається як один із ключових напрямів розвитку таких технологій, як штучний інтелект, квантові комп’ютери та надточні атомні годинники.

Однак до недавнього часу існувала серйозна проблема: компактні лазери могли працювати лише в обмеженому діапазоні довжин хвиль. Іншими словами, отримати світло різних «кольорів» було складно і дорого, а самі системи залишалися громіздкими та енерговитратними.

Нове рішення полягає у створенні багатошарових фотонних чипів. Вони нагадують своєрідний «листковий пиріг», де різні матеріали накладаються один на одного і виконують окремі функції. Основою став кремнієвий шар, доповнений склом і спеціальними матеріалами, такими як літій-ніобат — речовина, здатна змінювати властивості світла.

Додатково вчені використали інший матеріал — оксид танталу, який може перетворювати один колір світла на цілий спектр. Саме завдяки цьому вдалося створити систему, яка генерує широкий діапазон довжин хвиль прямо на одному чипі.

Ще один важливий елемент — металеві компоненти, які дозволяють керувати процесами в реальному часі: вмикати й вимикати світло, змінювати його характеристики та направляти сигнал у потрібний бік. Це критично важливо для обробки даних.

У результаті дослідники змогли розмістити десятки мініатюрних чипів на одній пластині, причому кожен із них здатен генерувати унікальні світлові сигнали. Фактично це означає, що в одному пристрої можна створювати цілу «палітру» лазерів.

Таке рішення відкриває великі перспективи для квантових технологій. Наприклад, різні атоми реагують лише на світло певної довжини хвилі. Для роботи квантових комп’ютерів або атомних годинників потрібні десятки різних лазерів, і нова технологія дозволяє отримати їх у компактному форматі.

Крім того, фотонні чипи можуть знайти застосування і в інших сферах — від підвищення ефективності штучного інтелекту до покращення віртуальної реальності. Світлові сигнали здатні швидше передавати дані між процесорами, що може значно прискорити обчислення.

Поки що технологія перебуває на етапі розвитку і не готова до масового виробництва. Проте дослідники вже співпрацюють із компаніями, які працюють над її масштабуванням.

Якщо ці розробки вдасться довести до комерційного рівня, ми можемо стати свідками переходу від електроніки до фотоніки — і це може змінити технологічний світ не менше, ніж свого часу це зробили перші комп’ютерні чипи.