In de toekomst zullen veel computers waarschijnlijk gebaseerd zijn op elektronische circuits gemaakt van supergeleiders. Dit zijn materialen waar elektrische stroom doorheen kan vloeien zonder energieverlies, en die veelbelovend kunnen zijn voor de ontwikkeling van krachtige supercomputers en kwantumcomputers.

Onderzoekers van de University of California Santa Barbara, Raytheon BBN Technologies, University of Cagliari, Microsoft Research en het Tokyo Institute of Technology hebben onlangs een magneto-optische modulator ontwikkeld - een apparaat dat de eigenschappen van een lichtstraal via een magnetisch veld regelt. Dit apparaat, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Electronics , zou kunnen bijdragen aan de implementatie van grootschalige elektronica en computers op basis van supergeleiders.

"We werken aan een nieuwe technologie die krachtige supercomputers en kwantumcomputers kan versnellen op basis van supergeleidertechnologie", vertelde Paolo Pintus, de onderzoeker die de studie leidde, aan TechXplore. "Supergeleiders werken alleen goed bij lage temperaturen, meestal net boven het absolute nulpunt (-273,15 ° Celsius). Daarom moeten circuits die van deze materialen zijn gemaakt in een speciale koelkast worden bewaard."

Circuits gemaakt van supergeleiders zijn meestal verbonden met hun externe omgeving met behulp van metalen kabels. Deze kabels hebben een beperkte communicatiesnelheid en kunnen warmte overdragen naar een koud circuit.

Een veelbelovend alternatief zou zijn om gebruik te maken van optische vezels, dunne en flexibele glasdraden die lichtsignalen kunnen overbrengen en die momenteel worden gebruikt om internetgegevens over lange afstanden te brengen. Deze vezels bieden twee belangrijke voordelen ten opzichte van metalen kabels:ze kunnen binnen dezelfde tijd 1000 keer meer gegevens verzenden zonder warmte over te dragen, aangezien glas een goede thermische isolator is.

"Als onderdeel van ons werk hebben we een apparaat ontworpen en gefabriceerd (bekend als 'optische modulator') dat informatie die door een elektrische stroom in een elektromagneet wordt overgedragen, omzet in licht", legt Pintus uit. "Dit is te danken aan een fysiek mechanisme dat 'magneto-optisch effect' wordt genoemd. Dit licht kan door een optische vezel reizen en informatie uit de koude omgeving transporteren, zonder de functionaliteit van het koude circuit te veranderen."

Optische modulatoren zoals het apparaat van Pintus en zijn collega's stellen onderzoekers in staat de eigenschappen van lichtstralen te controleren, zodat ze informatie kunnen overbrengen in de vorm van optische signalen. Deze modulatoren hebben tal van potentiële toepassingen, bijvoorbeeld om binaire (één en nul) codes over lange afstanden te verzenden.

De magneto-optische modulator die door de onderzoekers is gemaakt, gebruikt een elektrische stroom om een ​​magnetisch veld op te wekken. Dit magnetische veld veroorzaakt op zijn beurt een verandering in de optische eigenschappen van een synthetische granaat waar licht zich voortplant.

"Het mechanisme dat aan onze modulator ten grondslag ligt, is analoog aan een gitarist die de stijfheid van de snaren verandert om een ​​ander geluid te spelen," zei Pintus. "In ons geval regelt het magnetische veld de optische dichtheid van het medium waar het licht naartoe reist, zodat wanneer het licht zich kan voortplanten, we een '1' krijgen en wanneer het licht wordt verzwakt, hebben we een '0'. "

Bij de eerste evaluaties behaalde de magneto-optische modulator van Pintus en zijn collega's veelbelovende resultaten. Het meest opvallende was dat het een relatief hoge modulatiesnelheid bereikte (enkele gigabits per seconde) en kon werken bij temperaturen zo laag als 4 K (-269,15 ° Celsius).

"Dit is het belangrijkste onderdeel om een ​​energie-efficiënte grote gegevensoverdrachtsnelheid mogelijk te maken van supergeleidende circuits, die werken in een cryostaat bij lage temperatuur en kamertemperatuur", zei Pintus. "Normaal gesproken zijn optische modulatoren gebaseerd op een paar elektro-optische effecten, waarbij een elektrisch veld de optische eigenschap verandert van het materiaal waar het licht zich voortplant. Het magneto-optische effect dat we gebruikten, is daarentegen een dubbel effect , waar een magnetisch veld de optische eigenschap van een medium verandert."

Hoewel het magneto-optische effect bekend is en uitgebreid is bestudeerd, behoorden Pintus en zijn collega's tot de weinigen die de potentiële waarde ervan voor het maken van modulatoren hebben onderzocht. Dit gebied was nog niet veel eerder verkend, omdat het vervaardigen van geïntegreerde magneto-optische apparaten en het toepassen van snelle magnetische velden in de tijd een grote uitdaging kan zijn. Bovendien wordt het magneto-optische effect geassocieerd met aanzienlijk langzamere responstijden dan elektro-optische effecten.

"De onze is het eerste proof-of-concept van een hogesnelheidsmodulator op basis van een magneto-optisch effect," zei Pintus. "Met deze modulator demonstreren we een belangrijke bouwsteen om effectieve communicatie mogelijk te maken tussen cryogene omgeving en elektronica op kamertemperatuur met behulp van optische vezels. Vergeleken met eerdere cryogene (elektro-optische) modulatoren heeft onze voorgestelde oplossing een zeer eenvoudige structuur en is het compatibel met supergeleidende circuits, aangezien de elektrische ingangsimpedantie erg klein is."

De veelbelovende prestaties en het cryogene karakter van de modulator van de onderzoekers maken hem geschikt voor het verbinden van standaardelektronica (op kamertemperatuur) met cryogene supergeleidende en kwantumcomputerarchitectuur. In de toekomst zou deze recente studie de weg kunnen banen voor nieuw onderzoek dat zich richt op magneto-optische materialen voor optische modulatie en op hun potentiële computertoepassingen.

"Tijdens ons werk hebben we een modulatiesnelheid van 2 Gigabit-per-seconde aangetoond met een energieverbruik van minder dan 4 picojoule-per-bit aan overgedragen informatie, wat 80 keer zou kunnen worden verminderd (minder dan 50 femtojoule-per-bit) door de optimalisatie van de fabricageproces in hetzelfde materiaalsysteem," voegde Pintus toe. "Hoewel deze prestatie indrukwekkend is, zijn we van mening dat er veel ruimte is voor verdere verbeteringen. In onze volgende werken willen we andere materialen onderzoeken om een ​​hogere modulatiesnelheid en een lager stroomverbruik te bereiken. Het gebied van cryogeen magneto-optisch materiaal is een onontgonnen gebied en er zal meer onderzoek nodig zijn om de meest veelbelovende materialen te vinden." + Verder verkennen

Onderzoekers creëren apparaat om interacties tussen ultrakoude computers en computers op kamertemperatuur te stroomlijnen

© 2022 Science X Network