Чому фотонний комп’ютер буде в десятки тисяч разів швидше електронного?
Фотоніка - це розділ сучасної оптики, в рамках якого вивчаються джерела оптичного випромінювання, умови його поширення у просторі або через якісь матеріали, а також методи прийому та керування цим випромінюванням.
Під оптичним випромінюванням зазвичай розуміють видиме світло, яке має довжину хвилі від 380 нм до 780 нм. Тобто це випромінювання, яке сприймається людським оком. Також до оптичного випромінювання відносять інфрачервоні хвилі та ближнє ультрафіолетове випромінювання. Якщо ж розглядається взаємодія тих частинок, з яких складається світло - фотонів - з нанометровими об'єктами, то говорять уже не про фотоніку, а про нанофотонік.
українське міністерство освіти і науки включило фотоніку та нанофотоніку до найбільш перспективних напрямів досліджень. З чим це пов'язано?
Найбільш поширений зараз метод обробки та передачі інформації заснований на кремнієвих технологіях. У цьому інформація передається рахунок потоку електронів. Однак ця технологія має обмеження. Розмір сучасних електронних пристроїв досяг кількох десятків нанометрів і наближається до свого критичного значення, оскільки на таких масштабах дедалі більшу роль грають квантові явища. Крім того, у таких мініатюрних елементах виділяється величезна кількість тепла. Наприклад, сучасний суперкомп'ютер споживає потужності близько сотень мегават, що, звичайно, дуже багато.
Альтернативою електронним обчисленням є фотонні, у яких передачі та обробки інформації використовують не електрони, а фотони.
Фотони – це кванти електромагнітного випромінювання. На відміну від електронів вони не мають жодногозаряду, ні маси спокою. Очікується, що використання фотонів дозволить суттєво просунутися у швидкості обробки інформації, збільшивши її як мінімум на чотири порядки.
Це з кількома обставинами. Фотони, крім того, що не мають маси спокою, можуть поширюватися зі швидкостями порядку швидкості світла (близько 300 000 км/с). Крім того, фотони, які відповідають оптичному діапазону, дозволяють передавати величезні масиви даних за рахунок того, що ці хвилі мають більшу частоту. Так, частота хвиль оптичного діапазону становить 1015 Гц, що дозволяє організувати велику кількість каналів зв'язку.
Для того, щоб у світлову хвилю вкласти необхідну інформацію і передати її, потрібно якось впливати на потік фотонів. У цьому полягає одна із проблем нанофотоніки, з якою в електроніці стикаються не так гостро. Адже електрони мають заряд, що дозволяє впливати на них за допомогою зовнішніх електричних або магнітних полів — в результаті такого впливу електрони змінюють свій рух, що дозволяє передавати сигнали. На фотони так просто не можна впливати. Якщо світловий промінь поширюється вакуумом, то траєкторія його руху не зміниться навіть за наявності електричних або магнітних полів.
Існують різні методи вирішення цієї проблеми. Наприклад, якщо поширювати фотони через який-небудь матеріал, то на них можна буде впливати за допомогою електричного або магнітного поля. Цим займаються такі розділи сучасної оптики, як електрооптика та магнітооптика.
Звичайно, нанофотоніка стикається не лише з проблемою керування випромінюванням, але й з проблемою створення мініатюрних джерел випромінювання фактично мініатюрних лазерів. У цьому напрямі також робляться кроки, проводятьсяактивні дослідження. Нещодавно було продемонстровано так звані спазери. Це лазери, що базуються на збудженні плазмонних коливань. Плазмонами називаються гібридні коливання, які одночасно включають коливання фотонів і електронів металу. Ці джерела теж можуть бути дуже перспективними для створення оптичних мікросхем та наносхем, які можна буде потім використовувати в оптичних комп'ютерах.
Сьогодні основним завданням нанофотоніки є створення елементної бази, яка потім буде використана для обробки та передачі в оптичних комп'ютерах.
Компанії IBM та Fujitsu вже продемонстрували перші гібридні процесори, які використовують як оптичні, так і електронні технології.
Проте слід очікувати, що в найближчому майбутньому вдасться сконструювати кремнієво-фотонний процесор, але пристрій, в якому інформація повністю передається і обробляється за рахунок фотонних потоків.
Звичайно, необхідно враховувати не тільки швидкодію пристрою, а й економічну складову. Поки що зробити кремнієвий чіп набагато простіше і дешевше. Однак розвиток технологій дозволяє з оптимізмом дивитися в майбутнє і очікувати, що через якийсь час оптичні пристрої стануть економічно виправданими. На цьому етапі відносна частка фотонних пристроїв суттєво зросте та ринок кремнієвих пристроїв скоротиться.
Проте навряд чи варто очікувати на повне витіснення кремнієвих пристроїв фотонними.
Швидше за все, збережеться велика кількість областей застосування, де будуть не потрібні рекордні швидкості і вже звичні нам кремнієві технології виявляться зручнішими.