Het allereerste geïntegreerde apparaat op nanoschaal dat kan worden geprogrammeerd met fotonen of elektronen, is ontwikkeld door wetenschappers van de onderzoeksgroep Advanced Nanoscale Engineering van Harish Bhaskaran aan de Universiteit van Oxford.

In samenwerking met onderzoekers van de universiteiten van Münster en Exeter, wetenschappers hebben een uniek elektro-optisch apparaat gemaakt dat een brug vormt tussen optische en elektronische computers. Dit biedt een elegante oplossing om snellere en energiezuinigere geheugens en processors te realiseren.

Computeren met de snelheid van het licht was een aanlokkelijk maar ongrijpbaar vooruitzicht, maar met deze ontwikkeling is het nu in tastbare nabijheid. Door licht te gebruiken om informatie te coderen en over te dragen, kunnen deze processen plaatsvinden met de ultieme snelheidslimiet - die van licht. Terwijl sinds kort het gebruik van licht voor bepaalde processen is experimenteel aangetoond, een compact apparaat om te communiceren met de elektronische architectuur van traditionele computers ontbrak. De incompatibiliteit van elektrisch en op licht gebaseerd computergebruik komt in wezen voort uit de verschillende interactievolumes waarin elektronen en fotonen werken. Elektrische chips moeten klein zijn om efficiënt te kunnen werken, overwegende dat optische chips groot moeten zijn, omdat de golflengte van licht groter is dan die van elektronen.

Om dit uitdagende probleem te overwinnen, bedachten de wetenschappers een oplossing om licht te beperken tot nanoscopische afmetingen, zoals beschreven in hun paper Plasmonic nanogap verbeterde faseveranderingsapparaten met dubbele elektrisch-optische functionaliteit gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , 29 november 2019. Ze creëerden een ontwerp waarmee ze licht konden comprimeren tot een volume van nanogrootte door middel van wat bekend staat als oppervlakteplasmonpolariton. De dramatische verkleining van de afmetingen in combinatie met de aanzienlijk verhoogde energiedichtheid is wat hen in staat heeft gesteld de schijnbare onverenigbaarheid van fotonen en elektronen voor gegevensopslag en berekening te overbruggen. Specifieker, werd aangetoond dat door het verzenden van elektrische of optische signalen, de toestand van een foto- en elektrogevoelig materiaal werd getransformeerd tussen twee verschillende toestanden van moleculaire orde. Verder, de toestand van dit fase-transformerende materiaal werd uitgelezen door licht of elektronica, waardoor het apparaat de eerste elektro-optische geheugencel op nanoschaal met niet-vluchtige eigenschappen werd.

"Dit is een veelbelovend pad voorwaarts in de berekening en vooral op gebieden waar een hoge verwerkingsefficiëntie nodig is, " zegt Nikolaos Farmakidis, afgestudeerde student en co-eerste auteur.

Co-auteur Nathan Youngblood vervolgt:"Dit omvat natuurlijk toepassingen van kunstmatige intelligentie waarbij in veel gevallen de behoefte aan krachtige, low-power computing gaat onze huidige mogelijkheden ver te boven. Er wordt aangenomen dat het koppelen van op licht gebaseerde fotonische computing met zijn elektrische tegenhanger de sleutel is tot het volgende hoofdstuk in CMOS-technologieën."