Фемтосекунды: 2. Оптические вычислительные технологии

Возможно, будущее вычислительных технологий — за оптоэлектронными устройствами. Здесь показано, как световой импульс порождает в устройстве электрические токи, которые возникают и затухают за несколько фемтосекунд. На графике показан электрический заряд, перетекший в этом устройстве от одного электрода к другому. Изображение с сайта nature.com

Традиционные вычислительные технологии базируются на электрических токах. На вычислительные элементы процессора подается напряжение, в транзисторах течет ток и производится один такт вычислений. В головке записывающего устройства возбуждается ток, он наводит магнитное поле, которое перемагничивает ячейку памяти под ним. Даже в таких новых и перспективных технологиях будущего, как графеновые транзисторы или магнитная память «на беговой дорожке» MRM, требуется подавать напряжение и пропускать электрические токи. И процессы эти длятся как минимум пикосекунды.

В этой ситуации очень соблазнительно попытаться перевести вычислительные технологии на совершенно новую физическую базу. В ней тоже используются электронные элементы, но только управляются они не электрическим напряжением, которое требует заметного времени для подачи, а сверхкороткими лазерными импульсами. Ведь физики умеют создавать световые импульсы длительностью несколько фемтосекунд — в тысячи раз короче, чем импульсы электрического тока!

Уже сейчас физики думают над созданием оптического транзистора, в котором фемтосекундные световые импульсы будут моментально запускать ток внутри устройства (см. рисунок). Если эту технологию удастся реализовать и выжать из нее всё, что в принципе доступно, тактовая частота вычислительных устройств может подпрыгнуть на несколько порядков, выйдя далеко в терагерцевую область.

Что касается записи данных на магнитные носители, то и здесь сверхкороткие оптические импульсы могут в конечном счете произвести революцию. В 2007 году физики продемонстрировали, что сверхкороткие лазерные импульсы способны переворачивать намагниченность ячейки памяти всего за 40 фс (см. пояснение по поводу этой работы). До практического применения и новых рекордов в скорости записи тут еще далеко, но по крайней мере уже доказано, что эффект реально работает. Фемтомагнетизм — изучение динамики и управление намагниченностью на фемтосекундном масштабе — это один их самых активных разделов физики магнитных явлений.

За оптоэлектроникой — будущее, и теперь вы знаете по крайней мере одну причину, почему.

Фемтосекунды в оптике против десятков пикосекунд в обычной электронике сулят убыстрение вычислительных технологий на пару-тройку порядков.