Исследовательская группа из Университета Пенсильвании (США) преодолела ключевую проблему в области фотонных вычислений: создала гибридные частицы света и вещества, способные выполнять вычисления, и впервые реализовала полностью оптическое переключение сигналов, необходимое для вычислений. Этот прорыв закладывает физическую основу для будущего сверхскоростного, энергоэффективного оборудования для ИИ и даже квантовых вычислительных чипов. Соответствующая научная статья опубликована в последнем номере журнала «Physical Review Letters».
Фотоны доминируют в современных коммуникациях благодаря своей высокой скорости и низким потерям, но их слабое взаимодействие всегда было узким местом в вычислительных приложениях. В данном исследовании свет сильно связывается с электронами в атомарно тонком полупроводниковом материале, образуя гибридные частицы, называемые «экситон-поляритонами». Эти частицы сочетают высокую скорость распространения света с сильной способностью вещества к взаимодействию, тем самым преодолевая ключевое препятствие, мешавшее традиционным фотонам выполнять логические операции.
В эксперименте исследовательская группа продемонстрировала полностью оптический переключатель на основе экситон-поляритонов, энергопотребление которого за одно переключение составляет всего около 4 фемтоджоулей (4×10-15 Дж), что является чрезвычайно низким показателем. Этот прорыв имеет особое значение для развития аппаратного обеспечения ИИ. В настоящее время большинство фотонных чипов ИИ, хотя и могут выполнять линейные вычисления с помощью света, при выполнении ключевых этапов принятия решений, таких как нелинейные функции активации, по-прежнему вынуждены преобразовывать оптические сигналы обратно в электронные. Этот процесс многократного преобразования серьезно ограничивает преимущества фотонных вычислений в скорости и энергоэффективности. Новое решение обещает реализовать полностью фотонные вычисления — от оптического ввода до оптической обработки, избегая потерь, связанных с преобразованием сигналов.
В настоящее время, по мере взрывного роста потребностей ИИ в вычислительных мощностях, физические пределы электронных устройств становятся все более очевидными: электроны, несущие заряд, создают сопротивление и выделяют тепло, а высокая плотность интеграции и обработка больших данных сталкиваются с проблемами энергопотребления и отвода тепла. Фотоны, как безмассовые и электрически нейтральные «партнеры» электронов, уже доминируют в области связи, но их чрезвычайно слабое взаимодействие с окружающей средой долгое время препятствовало их применению в вычислительной логике.
Данная работа команды как раз направлена на преодоление этого узкого места. Они объединили наноразмерную оптическую полость с атомарно тонким полупроводниковым материалом, что привело к сильному взаимодействию света и вещества, в результате которого образовались квазичастицы экситон-поляритоны, способные выполнять операции переключения сигналов, необходимые для вычислений.
В случае успешного масштабирования эта технология позволит вычислительным чипам напрямую обрабатывать оптические сигналы от таких датчиков, как камеры, значительно снизит энергопотребление крупных систем ИИ и откроет возможный путь к реализации базовых квантовых вычислительных операций на чипе.