Genom att tvinga ljuset att gå igenom ett mindre gap än någonsin tidigare, forskare har banat väg för datorer baserade på ljus istället för elektronik.

Ljus är önskvärt för datoranvändning eftersom det kan bära en högre densitet av information och är mycket snabbare och effektivare än konventionell elektronik. Dock, ljuset interagerar inte lätt med sig själv, så även om den kan användas för att snabbt flytta information, det är inte särskilt bra på att behandla information.

Till exempel, ljus används för närvarande för att överföra information över långa avstånd, såsom i transatlantiska kablar och fiberoptik, som levererar snabbt internet. Dock, när informationen når din dator, elektronik behövs för att konvertera och bearbeta den.

För att använda ljus för bearbetning på mikrochips, flera viktiga hinder måste övervinnas. Till exempel, ljus kan fås att interagera med särskilda material, men bara över relativt långa sträckor. Nu, dock, ett team från Imperial College London har tagit ett betydande steg framåt genom att minska avståndet över vilket ljus kan interagera med 10, 000 gånger.

Detta innebär att det som tidigare skulle ha tagit centimeter att uppnå nu kan realiseras på mikrometer (en miljonedel av en meter) skala, föra optisk bearbetning till intervallet av elektriska transistorer, som för närvarande driver persondatorer. Resultaten publiceras idag i tidningen Vetenskap .

Dr Michael Nielsen, från Institutionen för fysik vid Imperial, sade:"Denna forskning har kryssat i en av rutorna som behövs för optisk beräkning.

"Eftersom ljus inte lätt interagerar med sig själv, information som skickas med ljus måste konverteras till en elektronisk signal, och sedan tillbaka i ljuset. Vår teknik gör att bearbetningen kan uppnås enbart med ljus. "

Normalt när två ljusstrålar korsar varandra interagerar inte de enskilda fotonerna eller förändrar varandra, som två elektroner gör när de möts. Speciella olinjära optiska material kan få fotoner att interagera, men effekten är vanligtvis mycket svag. Detta betyder att materialet behöver en lång spännvidd för att gradvis ackumulera effekten och göra den användbar.

Dock, genom att klämma in ljus i en kanal som bara är 25 nanometer (25 miljardelar av en meter) bred, Imperial -teamet ökade sin intensitet. Detta gjorde att fotonerna kunde interagera starkare över en kort sträcka, ändra egenskapen för ljuset som kom från andra änden av den en mikrometer långa kanalen.

Att styra ljus i en så liten skala är ett viktigt steg är konstruktionen av datorer som använder ljus istället för elektronik. Elektronisk beräkning ligger vid gränsen för effektivitet; medan det är möjligt att göra en snabbare elektronisk processor, energikostnaden för att flytta minnesdata snabbare runt datorn är för hög.

För att göra datorer mer kraftfulla, processorer görs istället mindre, så att fler får plats i samma utrymme, utan att öka bearbetningshastigheten. Optisk bearbetning kan alstra lite eller ingen värme, att använda ljus kan göra datorer mycket snabbare och mer effektiva.

Teamet uppnådde effekten genom att använda en metallkanal för att fokusera ljuset inuti en polymer som tidigare undersökts för användning i solpaneler. Metaller är mer effektiva för att fokusera ljus än traditionella transparenta material, och används också för att styra elektriska signaler.

Den nya tekniken är därför inte bara mer effektiv, men kan integreras med aktuell elektronik.

Dr Rupert Oulton, från Institutionen för fysik vid Imperial sa:"Användningen av ljus för att överföra information har kommit närmare våra hem. Det användes först i transatlantiska kablar, där kapaciteten var mest avgörande, men nu installeras fiberoptiskt bredband på fler och fler gator i Storbritannien. I takt med att vår hunger efter mer data ökar, optik måste komma in i hemmet, och så småningom inne i våra datorer. "

Förutom att ge ett viktigt steg mot optisk databehandling, lagets prestation löser eventuellt ett mångårigt problem inom olinjär optik. Eftersom interagerande ljusstrålar med olika färger passerar genom ett olinjärt optiskt material med olika hastigheter, de kan bli 'out of step' och den önskade effekten kan gå förlorad.

I den nya enheten, eftersom ljuset färdas så kort sträcka, den har inte tid att gå ur steg. Detta eliminerar problemet, och tillåter olinjära optiska enheter att vara mer mångsidiga i den typ av optisk behandling som kan uppnås.

Sidofält:Vad är olinjär optik?

Processen genom vilken fotoner görs för att interagera kallas olinjär optik. Teknik som använder det är ganska vanligt - ett enkelt exempel är en grön laserpekare. Det är svårt att göra en grön laser direkt, så olinjära optiska kristaller används för att konvertera infrarött ljus till grönt.

Osynlig infrarött ljus från en halvledarlaserdiod, drivs av batterier, passeras genom en kristall som gör att fotoner kan interagera med varandra. Här, två infraröda (osynliga) fotoner går samman för att skapa en enda foton med dubbelt så mycket energi, motsvarande grönt ljus.