De huidige computersystemen vertegenwoordigen stukjes informatie, de enen en nullen van binaire code, met elektriciteit. Circuit elementen, zoals transistoren, werken op deze elektrische signalen, outputs produceren die afhankelijk zijn van hun inputs.

Zo snel en krachtig als computers zijn geworden, Ritesh Agarwal, professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania, weet dat ze krachtiger kunnen zijn. Het gebied van photonic computing wil dat doel bereiken door licht als medium te gebruiken.

Agarwal's onderzoek naar fotonisch computergebruik was gericht op het vinden van de juiste combinatie en fysieke configuratie van materialen die lichtgolven kunnen versterken en mengen op manieren die analoog zijn aan elektronische computercomponenten.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , hij en zijn collega's hebben een belangrijke stap gezet:het nauwkeurig regelen van de menging van optische signalen via op maat gemaakte elektrische velden, en het verkrijgen van outputs met een bijna perfect contrast en extreem grote aan/uit-verhoudingen. Die eigenschappen zijn de sleutel tot het creëren van een werkende optische transistor.

"Momenteel, om '5+7' te berekenen, ' we moeten een elektrisch signaal sturen voor '5' en een elektrisch signaal voor '7, ' en de transistor doet het mengen om een ​​elektrisch signaal te produceren voor '12, '" zei Agarwal. "Een van de hindernissen om dit met licht te doen, is dat materialen die optische signalen kunnen mengen, ook over het algemeen zeer sterke achtergrondsignalen hebben. Dat achtergrondsignaal zou het contrast en de aan/uit-verhoudingen drastisch verminderen, wat tot fouten in de uitvoer zou leiden."

Met achtergrondsignalen die de beoogde output wegspoelen, noodzakelijkerwijs computationele kwaliteiten voor optische transistors, zoals hun aan/uit-verhouding, modulatiesterkte en signaalmengcontrast waren allemaal extreem slecht. Elektrische transistoren stellen hoge eisen aan deze kwaliteiten om fouten te voorkomen.

De zoektocht naar materialen die dienst kunnen doen in optische transistoren wordt bemoeilijkt door aanvullende eigenschapseisen. Alleen "niet-lineaire" materialen zijn in staat tot dit soort optische signaalmenging.

Om dit probleem aan te pakken, De onderzoeksgroep van Agarwal begon met het vinden van een systeem dat geen achtergrondsignaal heeft om te starten:een "riem" op nanoschaal gemaakt van cadmiumsulfide. Vervolgens, door een elektrisch veld over de nanobelt aan te leggen, Agarwal en zijn collega's waren in staat om optische niet-lineariteiten in het systeem te introduceren die een signaalmengoutput mogelijk maken die anders nul zou zijn.

"Ons systeem schakelt van nul naar extreem grote waarden, en heeft daarom een ​​perfect contrast, evenals grote modulatie- en aan/uit-verhoudingen, "Zei Agarwal. "Daarom, Voor de eerste keer, we hebben een optisch apparaat met een output die echt lijkt op een elektronische transistor."

Nu een van de belangrijkste componenten in beeld komt, de volgende stappen in de richting van een fotonische computer omvatten de integratie ervan met optische verbindingen, modulatoren, en detectoren om de werkelijke berekening te demonstreren.