قد يعتمد المستقبل الرقمي على أجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الضوئية فائقة السرعة
مجلة المذنب نت متابعات عالمية:
إذا كنت تتمنى يومًا ما أن يكون لديك هاتف أو كمبيوتر أو اتصال إنترنت أسرع ، فقد واجهت التجربة الشخصية المتمثلة في الوصول إلى حد التكنولوجيا. ولكن قد تكون هناك مساعدة في الطريق.
على مدى العقود العديدة الماضية ، عمل العلماء والمهندسون مثلي على تطوير ترانزستورات أسرع ، والمكونات الإلكترونية الكامنة وراء تقنيات الاتصالات الإلكترونية والرقمية الحديثة. استندت هذه الجهود إلى فئة من المواد تسمى أشباه الموصلات التي لها خصائص كهربائية خاصة. ربما يكون السيليكون أفضل مثال معروف لهذا النوع من المواد.
ولكن منذ حوالي عقد من الزمان ، وصلت الجهود العلمية إلى الحد الأقصى لسرعة الترانزستورات القائمة على أشباه الموصلات. لا يستطيع الباحثون ببساطة جعل الإلكترونات تتحرك بشكل أسرع عبر هذه المواد. إحدى الطرق التي يحاول بها المهندسون معالجة حدود السرعة المتأصلة في تحريك التيار عبر السيليكون هي تصميم دوائر فيزيائية أقصر – مما يمنح الإلكترونات بشكل أساسي مسافة أقل للسفر. تؤدي زيادة القدرة الحاسوبية للرقاقة إلى زيادة عدد الترانزستورات. ومع ذلك ، حتى إذا كان الباحثون قادرين على جعل الترانزستورات صغيرة جدًا ، فلن تكون سريعة بما يكفي لسرعة المعالجة ونقل البيانات التي يحتاجها الأفراد والشركات.
يهدف عمل مجموعتي البحثية إلى تطوير طرق أسرع لنقل البيانات ، باستخدام نبضات الليزر فائقة السرعة في المساحة الخالية والألياف الضوئية. ينتقل ضوء الليزر عبر الألياف الضوئية بدون أي خسارة تقريبًا ومستوى ضوضاء منخفض جدًا.
في أحدث دراسة لنا ، نُشرت في فبراير 2023 في Science Advances ، اتخذنا خطوة نحو ذلك ، حيث أظهرنا أنه من الممكن استخدام أنظمة قائمة على الليزر ومجهزة بترانزستورات بصرية ، والتي تعتمد على الفوتونات بدلاً من الجهد لتحريك الإلكترونات ، ونقلها. المعلومات بسرعة أكبر بكثير من الأنظمة الحالية – وتقوم بذلك بشكل أكثر فاعلية من المفاتيح الضوئية التي تم الإبلاغ عنها سابقًا.
ترانزستورات بصرية فائقة السرعة
في المستوى الأساسي ، تتضمن عمليات الإرسال الرقمية تشغيل وإيقاف إشارة لتمثيل الآحاد والأصفار. تستخدم الترانزستورات الإلكترونية الجهد لإرسال هذه الإشارة: عندما يحث الجهد الإلكترونات على التدفق عبر النظام ، فإنها تشير إلى 1 ؛ عندما لا يكون هناك تدفق للإلكترونات ، فإن هذا يشير إلى 0. وهذا يتطلب من مصدر لإصدار الإلكترونات وجهاز استقبال لاكتشافها.
يعتمد نظامنا لنقل البيانات الضوئية فائق السرعة على الضوء بدلاً من الجهد. مجموعتنا البحثية هي واحدة من بين مجموعات عديدة تعمل في مجال الاتصال البصري على مستوى الترانزستور – اللبنات الأساسية للمعالجات الحديثة – للتغلب على القيود الحالية باستخدام السيليكون.
يتحكم نظامنا في الضوء المنعكس لنقل المعلومات. عندما يسطع الضوء على قطعة من الزجاج ، يمر معظمها من خلالها ، على الرغم من أن القليل منها قد ينعكس. هذا هو ما تشعر به كوهج عند القيادة نحو ضوء الشمس أو النظر من خلال النافذة.
نستخدم حزمتين من أشعة الليزر تنتقلان من مصدرين يمران عبر نفس قطعة الزجاج. شعاع واحد ثابت ، ولكن يتم التحكم في انتقاله عبر الزجاج بواسطة الحزمة الثانية. باستخدام الحزمة الثانية لتحويل خصائص الزجاج من شفاف إلى عاكس ، يمكننا بدء وإيقاف إرسال الحزمة الثابتة ، وتحويل الإشارة الضوئية من التشغيل إلى الإيقاف والعودة مرة أخرى بسرعة كبيرة.
باستخدام هذه الطريقة ، يمكننا تبديل خصائص الزجاج بسرعة أكبر بكثير من قدرة الأنظمة الحالية على إرسال الإلكترونات. لذا يمكننا إرسال المزيد من إشارات التشغيل والإيقاف – الأصفار والآحاد – في وقت أقل.
Mediacolors / تصوير البناء / أفالون عبر Getty Images
ما السرعة التي نتحدث بها؟
اتخذت دراستنا الخطوة الأولى لنقل البيانات أسرع بمليون مرة مما لو استخدمنا الأجهزة الإلكترونية النموذجية. بالنسبة للإلكترونات ، تبلغ السرعة القصوى لنقل البيانات نانوثانية ، واحد من المليار من الثانية ، وهو سريع جدًا. لكن المفتاح البصري الذي أنشأناه كان قادرًا على نقل البيانات أسرع بملايين المرات ، الأمر الذي استغرق بضع مئات من الأتوثانية.
تمكنا أيضًا من إرسال هذه الإشارات بأمان حتى يفشل المهاجم الذي حاول اعتراض الرسائل أو تعديلها أو يتم اكتشافه.
إن استخدام شعاع الليزر لحمل الإشارة ، وضبط شدة الإشارة بزجاج يتحكم فيه شعاع ليزر آخر ، يعني أن المعلومات يمكن أن تنتقل ليس فقط بسرعة أكبر ولكن أيضًا لمسافات أكبر بكثير.
على سبيل المثال ، أرسل تلسكوب جيمس ويب الفضائي مؤخرًا صورًا مذهلة من بعيد في الفضاء. تم نقل هذه الصور كبيانات من التلسكوب إلى المحطة الأساسية على الأرض بمعدل واحد “تشغيل” أو “إيقاف” كل 35 نانومتر باستخدام الاتصالات الضوئية.
يمكن لنظام ليزر مثل النظام الذي نطوره أن يسرع من معدل النقل مليار مرة ، مما يسمح باستكشاف أسرع وأكثر وضوحًا للفضاء السحيق ، ويكشف بسرعة أكبر أسرار الكون. وفي يوم من الأيام ، قد تعمل أجهزة الكمبيوتر نفسها على الضوء.
نشكركم على قراءة المنشور عبر مجلة المذنب نت, المتخصصة في التداول والعملات الرقمية والمشفرة
