До недавних пор развитие компьютерной техники шло по накатанной колее: процессоры компьютеров становились мощнее благодаря уменьшению размеров транзисторов. Долгое время сфера электроники продолжала использовать этот метод, но однажды прогрессивные производители задумались, что ждет отрасль дальше, каким образом осуществить качественный переход. Как когда-то мир шагнул от ламп к транзисторам, так сейчас происходит глобальный переход к фотонным технологиям.
Преимущества фотонов
Наиболее перспективным направлением в области вычислительной техники является сверхвысокочастотная оптоэлектроника (СОЭ). Поскольку этот термин слишком громоздок, для него придумали красивый синоним — радиофотоника.
Это направление возникло на стыке оптоэлектроники (фотоники) и сверхвысокочастотной радиоэлектроники. Оно изучает варианты переноса сигнала с радиочастоты на оптическую частоту, а также дальнейшую его обработку средствами фотоники и возвращение обработанного сигнала в радиодиапазон.
В отличие от электрона, фотон не имеет массы покоя, быстрее перемещается, нечувствителен к внешним электромагнитным воздействиям. Он почти не создает шум, то есть внутренних помех устройства. Это значит, что основанные на нем системы имеют большую дальность и скорость передачи, а также ширину пропускания до 15 ТГц. Именно поэтому оптоволоконные линии так хороши для подключения к интернету. Не говоря уже про сопутствующие моменты. Наверняка вы видели, насколько оптоволоконный кабель тоньше витой пары. А если имели возможность поднять моток, то знаете, что он еще и в разы легче. Вот разница в цифрах:
- оптоволоконный кабель — удельный вес 1,7 кг/км, диаметр 250 мкм;
- коаксиальный кабель — удельный вес 560 кг/км, диаметр 10 мм.
Стоит отметить разницу: оптоволоконные линии относятся к фотонике, а вот процессор, в котором вместо электронов работают фотоны — это уже радиофотоника.
На квантах, но не квантовый
Относительно несложные радиофотонные устройства давно и широко применяют на практике. Например, для приема сигнала со спутников, для радиолокационных систем — там важно максимальное снижение шума. Но будущее у этой технологии куда более масштабное.
Радиофотонная технология легла в основу квантовых компьютеров. Хотя фотон — квант электромагнитного излучения, сам принцип действия квантового компьютера не связан напрямую с фотонами. Он работает на кубитах — комбинации ячеек памяти и примитивных вычислительных модулей, которые могут хранить в себе одновременно и ноль, и единицу. Эдакое воплощение кота Шредингера в реальном мире. Квантовые компьютеры в теории должны быть намного мощнее обычных, но пока есть только экспериментальные образцы. Проблема в том, что кубиты нестабильны, можно сказать — капризны. Так что пока они выглядят делом далекого будущего — в отличие от фотонных интегральных схем.
Пустить фотон, поймать фотон
Чтобы создать рабочую радиофотонную интегральную схему — аналог электронных — нужен источник, выпускающий ровно один фотон. Такой уже придумала датская компания Sparrow Quantum, она производит чип-генератор одиночных фотонов. С ним пока все не настолько просто, чтобы производители компьютеров могли его массово закупать и использовать для сборки своих конструкций. Однако уже сейчас он позволяет создавать масштабируемые системы.
Второй компонент радиофотонной интегральной схемы — детектор одиночных фотонов. Такие устройства тоже существуют, причем разных типов: лавинные фотодиоды, сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы и другие. Их производством занимается, например, немецкая Pixel Photonics.
Процессоры на фотонах
Первые попытки создания радифотонного компьютера предприняла испанская компания iPronics. А голландская QuiX Quantum впервые применила в своих радиофотонных процессорах нитрид кремния, это позволило добиться их стабильной работы при комнатной температуре.
Пока в качестве областей применения таких чипов называют автономные автомобили, персонализированные медицинские решения — например, даже вживление чипов вместе с медицинскими устройствами. Мощность радиофотонных процессоров пока еще не так велика, а вот стабильность уже на серьезном уровне. Но то ли еще будет — радиофотонные технологии позволяют создавать стабильные кубиты для квантовых компьютеров.
