Германиевый лазер - путь к «оптическим вычислениям»

Исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали первый лазер, который использует германий в качестве рабочего элемента. Лазер, работающий при комнатной температуре, может оказаться важным шагом в развитии компьютерных микросхем, которые для обмена данными используют свет вместо электричества, считают ученые.

"Это очень важный прорыв, я бы даже сказал, что он имеет максимальное значение в этой области", - говорит Эли Яблонович (Eli Yablonovitch), профессор кафедры электротехники и информатики университета Калифорнии, который не был вовлечен в исследование, - "Это открытие значительно уменьшит стоимость коммуникаций и сделает чипы более быстрыми".

Когда процессоры становятся более мощными, они сталкиваются с проблемой коммуникаций, которая заключается в том, что перемещение данных между различными частями чипа занимает слишком много времени. Кроме того, данные также посылаются в память. Традиционные медные связи потребляют слишком много энергии для транспортировки данных, и за счет постоянного увеличения скоростей появляется необходимость в чипах следующего поколения. Помимо этого, медь очень сильно нагревается, и это накладывает некоторые ограничения: инженеры должны искать способы рассеивания тепла.

Передача данных с помощью лазеров, которые могут сконцентрировать свет в узкий мощный луч, может стать более дешевой и эффективной альтернативой экономии энергии. Идея, известная как «оптические вычисления», стала одной из самых горячих областей компьютерного исследования.

"Лазер - это полностью новая технология", - говорит Лайонел Кимерлинг (Lionel Kimerling), профессор Массачусетского технологического института, руководитель исследовательской группы, которая работала над германиевым лазером.

Лазеры очень привлекательны, однако материалы, которые в настоящее время используются в них, такие как, например, арсенид галлия, очень трудно интегрировать в новую систему.

Яблонович считает, что это породило "внешние лазеры". Лазеры строят отдельно и сажают на чипы, вместо того, чтобы непосредственно строить их на том же самом кристалле. Это снижает эффективность и увеличивает стоимость. Германиевый лазер решает эту проблему, потому что он может быть построен рядом с чипом, используя подобные процессы на одной и той же фабрике.

"Возможно, потребуется несколько лет для того, чтобы понять, как объединить этот лазер в стандартный кремниевый процесс", - говорит Яблонович. - "Но мы точно знаем, что получить кремниевую микросхему с внутренними лазерами возможно".

В конечном счете, исследователи Массачусетского технологического института пришли к выводу, что германиевые лазеры можно использовать не только для коммуникаций, но и для логических элементов микросхем, что поспособствует созданию компьютеров, которые будут выполнять вычисления, используя свет вместо электричества.

«Маловероятно, что свет полностью заменит электричество. Я думаю, что мы будем использовать свет и электричество совместно. Свет позволяет внутренним коммуникациям работать значительно эффективнее, но сами логические элементы, вероятно, будут работать, как и прежде за счет электричества», - говорит Яблонович.

Физики сделали самые точные в мире часы

Сконструированные физиками из Национального института стандартов и технологий (США) оптические атомные часы накапливают ошибку в одну секунду более чем за 3,7 млрд лет.

Нынешний американский эталон частоты и времени — цезиевые часы NIST-F1 — ошибается на секунду "всего" за 100 млн лет.

Столь значительное улучшение характеристик объясняется использованием иона алюминия 27Al+, у которого интересующий ученых переход 1S0 — 3Р0 совершается на частоте в 1,121 ПГц. Соответствующая частота в случае цезия равняется лишь 9,2 ГГц — а значит, такие часы делят секунду на меньшее число частей и обеспечивают меньшую точность.

Новое устройство стало вторым в серии так называемых часов с квантовой логикой. В первом варианте, представленном в 2008 году, также использовался ион алюминия, который исследователи располагали в электромагнитной ловушке на расстоянии четырех тысячных долей миллиметра от иона 9Ве+, испускающего фотоны в условиях эксперимента. Под действием лазерного излучения с частотой, соответствующей частоте перехода, ион Al+ "перепрыгивает" в новое энергетическое состояние ("1"), однако при недостаточном согласовании параметров излучения его состояние ("0") не изменяется. В последнем случае при использовании дополнительных лазерных импульсов можно добиться того, что испускание бериллием фотонов прекратится; регистрируя это событие, ученые определяют, что ион алюминия остался в состоянии "0". Если же подача дополнительных импульсов не останавливает излучение, определяется состояние "1".

Суть эксперимента сводится к точной подстройке частоты лазера, воздействие которого вызывает переход "0" — "1". Ее измерение выполняется по методу "гребенки частот".

В обсуждаемом варианте этих часов бериллий заменен ионом 25Mg+, который в большей степени соответствует алюминию по массе. Физики 56 раз сравнили два созданных ими устройства, варьируя длительность периода сравнения от 15 минут до 3 часов, и выяснили, что они "тикают" практически с одинаковой частотой, однако новый вариант более чем вдвое превосходит старый по точности.

Такие часы уже сейчас применяются для оценки возможных изменений некоторых фундаментальных физических констант (к примеру, постоянной тонкой структуры).