I framtiden kommer många datorer med största sannolikhet att baseras på elektroniska kretsar gjorda av supraledare. Dessa är material genom vilka en elektrisk ström kan flyta utan energiförluster, kan vara mycket lovande för utvecklingen av högpresterande superdatorer och kvantdatorer.

Forskare vid University of California Santa Barbara, Raytheon BBN Technologies, University of Cagliari, Microsoft Research och Tokyo Institute of Technology har nyligen utvecklat en magneto-optisk modulator – en enhet som styr egenskaperna hos en ljusstråle genom ett magnetfält. Denna enhet, introducerad i en artikel publicerad i Nature Electronics , skulle kunna bidra till implementeringen av storskalig elektronik och datorer baserade på supraledare.

"Vi arbetar på en ny teknik som kan påskynda högpresterande superdatorer och kvantdatorer baserade på supraledarteknik", säger Paolo Pintus, forskaren som ledde studien, till TechXplore. "Supraledare fungerar endast vid låga temperaturer, vanligtvis strax över absoluta nollpunkten (-273,15° Celsius). På grund av detta måste kretsar gjorda av dessa material förvaras i ett särskilt kylskåp."

Kretsar gjorda av supraledare är vanligtvis anslutna till sin yttre omgivning med hjälp av metallkablar. Dessa kablar har en begränsad kommunikationshastighet och kan överföra värme till en kall krets.

Ett lovande alternativ skulle vara att använda optiska fibrer, tunna och flexibla glastrådar som kan förmedla ljussignaler och som idag används för att föra internetdata över långa avstånd. Dessa fibrer erbjuder två huvudsakliga fördelar jämfört med metallkablar:de kan överföra 1 000 gånger mer data inom samma tidsperiod utan att överföra värme, eftersom glas är en bra värmeisolator.

"Som en del av vårt arbete designade och tillverkade vi en enhet (känd som 'optisk modulator') som omvandlar information som bärs av en elektrisk ström i en elektromagnet till ljus," förklarade Pintus. "Detta är tack vare en fysisk mekanism som kallas "magneto-optisk effekt." Detta ljus kan färdas genom en optisk fiber och föra information ut ur den kalla miljön, utan att ändra funktionaliteten hos den kalla kretsen."

Optiska modulatorer som enheten skapad av Pintus och hans kollegor tillåter forskare att kontrollera egenskaperna hos ljusstrålar, så att de kan överföra information i form av optiska signaler. Dessa modulatorer har många potentiella tillämpningar, till exempel att tillåta överföring av binära (en och noll) koder över långa avstånd.

Den magneto-optiska modulatorn skapad av forskarna använder en elektrisk ström för att generera ett magnetfält. Detta magnetfält inducerar i sin tur en förändring i de optiska egenskaperna hos en syntetisk granat där ljus fortplantar sig.

"Mekanismen som ligger till grund för vår modulator är analog med en gitarrspelare som ändrar strängarnas styvhet för att spela ett annat ljud," sa Pintus. "I vårt fall styr magnetfältet den optiska densiteten för mediet där ljuset färdas, så att när ljuset kan fortplanta sig får vi en '1' och när ljuset dämpas har vi en '0'. "

I inledande utvärderingar uppnådde den magneto-optiska modulatorn skapad av Pintus och hans kollegor mycket lovande resultat. Framför allt nådde den en relativt snabb moduleringshastighet (några gigabitar per sekund) och kunde arbeta vid temperaturer så låga som 4 K (-269,15° Celsius).

"Detta är nyckelkomponenten för att möjliggöra energieffektiva stora dataöverföringshastigheter från supraledande kretsar, som arbetar inuti en kryostat vid låg temperatur och rumstemperatur," sa Pintus. "Normalt är optiska modulatorer baserade på ett fåtal elektrooptiska effekter, där ett elektriskt fält förändrar den optiska egenskapen hos materialet där ljuset fortplantar sig. Den magnetoptiska effekten som vi använde är å andra sidan en dubbel effekt , där ett magnetfält ändrar den optiska egenskapen hos ett medium."

Även om den magnetoptiska effekten är välkänd och omfattande studerad, var Pintus och hans kollegor bland de få som undersökte dess potentiella värde för att skapa modulatorer. Detta område hade inte utforskats mycket tidigare eftersom tillverkning av integrerade magneto-optiska enheter och applicering av snabba tidsvarierande magnetfält kan vara mycket utmanande. Dessutom tenderar den magneto-optiska effekten att förknippas med betydligt långsammare svarstider än elektrooptiska effekter.

"Vårt är det första beviset på konceptet för en höghastighetsmodulator baserad på en magneto-optisk effekt," sa Pintus. "Med denna modulator demonstrerar vi en viktig byggsten för att möjliggöra effektiv kommunikation mellan kryogen miljö och rumstemperaturelektronik med hjälp av optiska fibrer. Jämfört med tidigare kryogena (elektroptiska) modulatorer har vår föreslagna lösning en mycket enkel struktur och den är kompatibel med supraledande kretsar, eftersom den elektriska ingångsimpedansen är mycket liten."

Den lovande prestandan och kryogena karaktären hos forskarnas modulator gör den lämplig för att ansluta standardelektronik (vid rumstemperatur) med kryogen supraledande och kvantberäkningsarkitektur. I framtiden kan denna nya studie bana väg för ny forskning som fokuserar på magneto-optiska material för optisk modulering och på deras potentiella datortillämpningar.

"I vårt arbete visade vi en modulationshastighet på 2 Gigabit per sekund med energiförbrukning under 4 picojoule-per-bit överförd information, som kunde reduceras med 80 gånger (under 50 femtojoule-per-bit) genom att optimera tillverkningsprocessen i samma materialsystem," tillade Pintus. "Även om den här prestandan är imponerande, tror vi att det finns mycket utrymme för ytterligare förbättringar. I våra nästa arbeten skulle vi vilja utforska andra material för att uppnå högre moduleringshastighet och lägre energiförbrukning. Området för kryogent magneto-optiskt material är ett outforskat område och det kommer att krävas mer undersökning för att begränsa de mest lovande materialen." + Utforska vidare

Forskare skapar enhet för att effektivisera interaktioner mellan ultrakalla datorer och rumstempererade datorer

© 2022 Science X Network