Nếu bạn đã từng ước mình có một chiếc điện thoại, máy tính hoặc kết nối internet nhanh hơn, thì bạn đã từng gặp phải trải nghiệm cá nhân khi đạt đến giới hạn của công nghệ. Nhưng có thể có sự giúp đỡ trên đường đi.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học và kỹ sư như tôi đã làm việc để phát triển các bóng bán dẫn nhanh hơn, các thành phần điện tử làm nền tảng cho các công nghệ truyền thông kỹ thuật số và điện tử hiện đại. Những nỗ lực này dựa trên một loại vật liệu gọi là chất bán dẫn có các tính chất điện đặc biệt. Silicon có lẽ là ví dụ được biết đến nhiều nhất của loại vật liệu này.

Nhưng khoảng một thập kỷ trước, những nỗ lực khoa học đã đạt đến giới hạn tốc độ của bóng bán dẫn dựa trên chất bán dẫn. Các nhà nghiên cứu đơn giản là không thể làm cho các electron di chuyển nhanh hơn qua những vật liệu này. Một cách mà các kỹ sư đang cố gắng giải quyết các giới hạn tốc độ vốn có trong việc di chuyển dòng điện qua silicon là thiết kế các mạch vật lý ngắn hơn—về cơ bản giúp các electron di chuyển với quãng đường ngắn hơn. Việc tăng sức mạnh tính toán của chip đồng nghĩa với việc tăng số lượng bóng bán dẫn. Tuy nhiên, ngay cả khi các nhà nghiên cứu có thể thu được các bóng bán dẫn rất nhỏ, thì chúng cũng không đủ nhanh để xử lý và truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn mà mọi người và doanh nghiệp sẽ cần.

My công việc của nhóm nghiên cứu nhằm mục đích phát triển các cách di chuyển dữ liệu nhanh hơn, sử dụng các xung laze cực nhanh trong không gian trống và cáp quang. Ánh sáng laser truyền qua sợi quang mà hầu như không bị suy hao và có mức nhiễu rất thấp.

Trong nghiên cứu gần đây nhất của chúng tôi, được xuất bản vào tháng 2023 năm XNUMX trên Những tiến bộ khoa học, chúng tôi đã tiến một bước về phía đó, chứng minh rằng có thể sử dụng hệ thống dựa trên laser được trang bị các bóng bán dẫn quang học, phụ thuộc vào các photon chứ không phải điện áp để di chuyển các electron và truyền thông tin nhanh hơn nhiều so với các hệ thống hiện tại—và làm như vậy hiệu quả hơn so với công tắc quang được báo cáo trước đây.

Transistor quang cực nhanh

Ở cấp độ cơ bản nhất, truyền kỹ thuật số liên quan đến việc bật và tắt tín hiệu để biểu thị số 1 và số 0. Các bóng bán dẫn điện tử sử dụng điện áp để gửi tín hiệu này: Khi điện áp tạo ra các điện tử chạy qua hệ thống, chúng báo hiệu XNUMX; khi không có electron chạy qua, tín hiệu đó báo hiệu XNUMX. Điều này yêu cầu một nguồn phát ra các electron và một máy thu để phát hiện chúng.

Hệ thống truyền dữ liệu quang cực nhanh của chúng tôi dựa trên ánh sáng chứ không phải điện áp. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi là một trong nhiều nhóm làm việc với giao tiếp quang học ở cấp độ bóng bán dẫn—các khối xây dựng của bộ xử lý hiện đại—để khắc phục những hạn chế hiện tại với silicon.

Hệ thống của chúng tôi điều khiển ánh sáng phản chiếu để truyền thông tin. Khi ánh sáng chiếu vào một mảnh thủy tinh, phần lớn ánh sáng sẽ xuyên qua, mặc dù một ít có thể bị phản xạ. Đó là những gì bạn cảm thấy như bị lóa khi lái xe về phía ánh sáng mặt trời hoặc nhìn qua cửa sổ.

Ta dùng hai chùm tia laze phát từ hai nguồn đi qua cùng một mảnh thủy tinh. Một chùm là không đổi, nhưng sự truyền qua kính của nó được điều khiển bởi chùm thứ hai. Bằng cách sử dụng chùm tia thứ hai để chuyển các đặc tính của kính từ trong suốt sang phản xạ, chúng ta có thể bắt đầu và dừng truyền chùm tia không đổi, chuyển đổi tín hiệu quang học từ trạng thái bật sang trạng thái tắt và ngược lại rất nhanh chóng.

Với phương pháp này, chúng ta có thể chuyển đổi các thuộc tính của thủy tinh nhanh hơn nhiều so với các hệ thống hiện tại có thể gửi điện tử. Vì vậy, chúng tôi có thể gửi nhiều tín hiệu bật và tắt hơn—số không và số một—trong thời gian ngắn hơn.

Chúng ta đang nói chuyện nhanh như thế nào?

Nghiên cứu của chúng tôi đã thực hiện bước đầu tiên để truyền dữ liệu nhanh hơn 1 triệu lần so với khi chúng tôi sử dụng thiết bị điện tử thông thường. Với các điện tử, tốc độ tối đa để truyền dữ liệu là một nano giây, một phần tỷ giây, rất nhanh. Nhưng công tắc quang học mà chúng tôi chế tạo có thể truyền dữ liệu nhanh hơn hàng triệu lần, chỉ mất vài trăm atto giây.

Chúng tôi cũng có thể truyền các tín hiệu đó một cách an toàn để kẻ tấn công cố gắng chặn hoặc sửa đổi thông báo sẽ thất bại hoặc bị phát hiện.

Sử dụng chùm tia laze để mang tín hiệu và điều chỉnh cường độ tín hiệu của nó bằng thủy tinh được điều khiển bởi một chùm tia laze khác, có nghĩa là thông tin có thể truyền đi không chỉ nhanh hơn mà còn ở khoảng cách xa hơn nhiều.

Chẳng hạn, Kính viễn vọng Không gian James Webb gần đây đã truyền hình ảnh tuyệt đẹp từ xa trong không gian. Những bức ảnh này được truyền dưới dạng dữ liệu từ kính viễn vọng đến trạm cơ sở trên Trái đất với tốc độ một lần “bật” hoặc “tắt” cứ sau 35 nano giây sử dụng thông tin liên lạc quang học.

Một hệ thống laser giống như hệ thống chúng tôi đang phát triển có thể tăng tốc độ truyền tải lên hàng tỷ lần, cho phép khám phá không gian sâu nhanh hơn và rõ ràng hơn, tiết lộ bí mật của vũ trụ nhanh hơn. Và một ngày nào đó bản thân máy tính có thể chạy bằng ánh sáng.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Tín dụng hình ảnh: Công tắc quang cực nhanh trong phòng thí nghiệm của tác giả đang hoạt động. Mohammed Hassan, Đại học Arizona, CC BY-NĐ

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/07/24/the-digital-future-may-rely-on-optical-switches-a-million-times-faster-than-todays-transistors/