Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics. Авторы утверждают, что впервые смогли реализовать на одном программируемом чипе управляемое замедление света без необходимости изменять физическую структуру устройства после его изготовления.
Сегодня практически вся цифровая инфраструктура — от дата-центров до магистральных линий связи — опирается на использование света для передачи информации. Фотоны способны переносить огромные объемы данных значительно быстрее и эффективнее электронов, однако управление световыми сигналами внутри микросхем остается одной из наиболее сложных задач современной фотоники.
Одна из таких задач заключается в том, чтобы научиться «притормаживать» свет. Несмотря на то что в вакууме свет движется со скоростью почти 300 тыс. км/с, внутри различных материалов она может существенно снижаться. Управляемое замедление света позволяет временно хранить информацию, синхронизировать передачу сигналов, создавать оптическую память и повышать эффективность вычислений.
До настоящего времени большинство подобных решений разрабатывались для выполнения одной конкретной функции. После производства чипа изменить его характеристики было практически невозможно. Новый подход предполагает создание универсального фотонного процессора, параметры которого можно перенастраивать программно подобно современным FPGA-чипам в электронике.
Разработанная учеными архитектура представляет собой массив связанных кольцевых резонаторов — миниатюрных оптических структур, внутри которых свет многократно циркулирует по замкнутой траектории. Изменяя параметры взаимодействия между ними, исследователи смогли программно регулировать задержку прохождения светового сигнала через чип.
В ходе экспериментов устройство продемонстрировало возможность динамически изменять время задержки фотонов без ухудшения качества передаваемого сигнала. Причем настройки можно менять практически мгновенно, адаптируя работу чипа под различные задачи.
По словам авторов исследования, технология позволяет реализовать концепцию так называемого «slow light» («медленного света»), над которой ученые работают уже несколько десятилетий. При этом речь не идет о нарушении фундаментальных законов физики или искусственном снижении скорости света как константы природы. Замедляется лишь скорость распространения светового импульса внутри специально созданной фотонной структуры, тогда как отдельные фотоны продолжают подчиняться законам электродинамики.
Практическое значение подобной разработки сложно переоценить. Одним из главных ограничений современных вычислительных систем становится скорость обмена данными между отдельными компонентами. Производители процессоров и ускорителей искусственного интеллекта уже активно переходят на оптические интерфейсы передачи информации, способные обеспечить существенно большую пропускную способность при меньшем энергопотреблении.
Программируемые фотонные чипы могут найти применение сразу в нескольких областях. В телекоммуникациях они способны выполнять функции интеллектуальных маршрутизаторов световых сигналов и компенсировать задержки при передаче данных. В вычислительной технике технология может использоваться для создания оптических сопроцессоров и систем фотонных вычислений. Кроме того, она представляет большой интерес для квантовых коммуникаций, где точное управление фотонами является одним из ключевых требований.
Некоторые эксперты уже сравнивают перспективы подобных устройств с появлением программируемых логических интегральных схем (FPGA) в микроэлектронике. Если ранее для каждой фотонной задачи требовалось проектировать отдельный специализированный чип, то в будущем одна универсальная платформа сможет программно адаптироваться под различные сценарии использования.
Что дальше
В ближайшие несколько лет технология вряд ли появится в массовых потребительских устройствах. Наиболее вероятными первыми заказчиками станут производители телекоммуникационного оборудования, разработчики оптических межсоединений для дата-центров и компании, работающие над фотонными ускорителями искусственного интеллекта.
Дополнительный интерес к подобным разработкам обусловлен стремительным ростом рынка фотонных вычислений. Крупнейшие технологические компании и стартапы инвестируют миллиарды долларов в создание оптических процессоров, способных значительно снизить энергопотребление центров обработки данных, которое становится одной из главных проблем эпохи генеративного ИИ.
Если программируемые фотонные чипы смогут обеспечить высокую надежность и масштабируемость производства, то в течение следующего десятилетия они имеют все шансы превратиться в один из базовых компонентов инфраструктуры будущих высокопроизводительных вычислительных систем. Замедляя свет буквально по команде программного обеспечения, инженеры получают еще один инструмент для того, чтобы сделать оптические вычисления столь же гибкими, какими сегодня являются электронные.
