Il futuro digitale potrebbe basarsi su switch ottici un milione di volte più veloci rispetto ai transistor di oggi

Se hai mai desiderato avere un telefono, un computer o una connessione Internet più veloci, ti sei imbattuto nell'esperienza personale di aver raggiunto un limite della tecnologia. Ma potrebbe esserci aiuto in arrivo.

Negli ultimi decenni, scienziati e ingegneri come me hanno lavorato per sviluppare transistor più veloci, i componenti elettronici alla base delle moderne tecnologie di comunicazione elettronica e digitale. Questi sforzi si sono basati su una categoria di materiali chiamati semiconduttori che hanno proprietà elettriche speciali. Il silicio è forse l’esempio più conosciuto di questo tipo di materiale.

Ma circa dieci anni fa, gli sforzi scientifici hanno raggiunto il limite di velocità dei transistor basati su semiconduttori. I ricercatori semplicemente non riescono a far muovere gli elettroni più velocemente attraverso questi materiali. Un modo in cui gli ingegneri stanno cercando di affrontare i limiti di velocità inerenti allo spostamento di una corrente attraverso il silicio è quello di progettare circuiti fisici più brevi, in sostanza dando agli elettroni una distanza minore da percorrere. Aumentare la potenza di calcolo di un chip significa aumentare il numero di transistor. Tuttavia, anche se i ricercatori riuscissero a ottenere transistor molto piccoli, non sarebbero abbastanza veloci per le velocità di elaborazione e trasferimento dati più elevate di cui le persone e le aziende avranno bisogno.

Il lavoro del mio gruppo di ricerca mira a sviluppare modi più rapidi per spostare i dati, utilizzando impulsi laser ultraveloci nello spazio libero e fibra ottica. La luce laser viaggia attraverso la fibra ottica quasi senza perdite e con un livello di rumore molto basso.

Nel nostro studio più recente, pubblicato nel febbraio 2023 su Science Advances, abbiamo fatto un passo in questa direzione, dimostrando che è possibile utilizzare sistemi basati su laser dotati di transistor ottici, che dipendono dai fotoni anziché dalla tensione per spostare gli elettroni e per trasferire informazioni molto più rapidamente rispetto ai sistemi attuali e lo fanno in modo più efficace rispetto agli interruttori ottici precedentemente segnalati.

Al loro livello più fondamentale, le trasmissioni digitali comportano l'accensione e lo spegnimento del segnale per rappresentare uno e zero. I transistor elettronici utilizzano la tensione per inviare questo segnale: quando la tensione induce gli elettroni a fluire attraverso il sistema, segnalano un 1; quando non ci sono elettroni che fluiscono, ciò segnala uno 0. Ciò richiede una sorgente per emettere gli elettroni e un ricevitore per rilevarli.

Il nostro sistema di trasmissione ottica dei dati ultraveloce si basa sulla luce anziché sulla tensione. Il nostro gruppo di ricerca è uno dei tanti che lavorano con la comunicazione ottica a livello di transistor, gli elementi costitutivi dei moderni processori, per aggirare le attuali limitazioni del silicio.

Il nostro sistema controlla la luce riflessa per trasmettere informazioni. Quando la luce colpisce un pezzo di vetro, la maggior parte la attraversa, anche se una piccola parte potrebbe riflettersi. Questo è ciò che avverti come abbagliamento quando guidi verso la luce del sole o guardi attraverso una finestra.

Utilizziamo due raggi laser trasmessi da due sorgenti che passano attraverso lo stesso pezzo di vetro. Un raggio è costante, ma la sua trasmissione attraverso il vetro è controllata dal secondo raggio. Utilizzando il secondo raggio per spostare le proprietà del vetro da trasparente a riflettente, possiamo avviare e interrompere la trasmissione del raggio costante, commutando il segnale ottico da acceso a spento e viceversa molto rapidamente.

Con questo metodo possiamo modificare le proprietà del vetro molto più rapidamente di quanto i sistemi attuali riescano a inviare elettroni. Quindi possiamo inviare molti più segnali di attivazione e disattivazione, zero e uno, in meno tempo.

Il nostro studio ha compiuto il primo passo per trasmettere dati 1 milione di volte più velocemente che se avessimo utilizzato l'elettronica tipica. Con gli elettroni, la velocità massima per la trasmissione dei dati è di un nanosecondo, un miliardesimo di secondo, che è molto veloce. Ma l’interruttore ottico che abbiamo costruito è stato in grado di trasmettere dati un milione di volte più velocemente, impiegando solo poche centinaia di attosecondi.

Siamo stati anche in grado di trasmettere tali segnali in modo sicuro in modo che un utente malintenzionato che tentasse di intercettare o modificare i messaggi fallisse o venisse rilevato.

Utilizzando un raggio laser per trasportare un segnale e regolandone l'intensità con un vetro controllato da un altro raggio laser, l'informazione può viaggiare non solo più rapidamente ma anche a distanze molto maggiori.