Un team internazionale di scienziati della Seoul National University e della University of Seoul ha presentato un rivoluzionario chip fotonico programmabile, capace di rallentare la luce su richiesta. Lo sviluppo apre la strada a un cambiamento epocale nel calcolo ottico: al posto dei tradizionali segnali elettrici, si possono utilizzare onde luminose, che sono molto più veloci ma richiedono solo leggermente più energia.
La ricerca è stata guidata dai professori Namkyu Park e Sungkyu Yu della Seoul National University (Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica) insieme al professor Xianzhi Piao della University of Seoul. Due giovani scienziati hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo: il dottor Seungyoon Park (Seoul National University e PICORE Center, KAIST) e lo studente laureato Bomjun Chae (Seoul National University), che hanno sviluppato la base teorica della ricerca. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Advanced Science con il titolo "Fully Programmable Slow Light Based on Spinor Representation of Generalized Coupled-Resonator-Induced Transparency".
Il problema dei sistemi ottici è noto da tempo: la luce, per definizione, si muove troppo velocemente e non è facilmente controllabile. Per sincronizzare i segnali, memorizzare dati in buffer e creare memoria nei sistemi di calcolo ottico sono necessarie ritardi temporali controllabili. I dispositivi tradizionali basati sull'effetto di trasparenza indotta da risonatori accoppiati (CRIT) avevano caratteristiche fisse durante la fase di produzione, rendendo impossibile la riprogrammazione successiva.
Gli scienziati hanno proposto un approccio fondamentalmente nuovo. Invece di una struttura statica, hanno combinato due stati ottici – modi brillanti e scuri dei risonatori – in un'unica libertà di grado e hanno aggiunto elementi di accoppiamento a loop controllabili. L'innovazione principale: l'uso della rappresentazione spinoriale (una descrizione matematica della meccanica quantistica) ha permesso di ottenere un set completo di gradi di libertà per la regolazione. Il risultato: il chip può essere riprogrammato dinamicamente, dopo la sua fabbricazione e persino durante il funzionamento.
Il chip programmabile controlla non solo la velocità di propagazione della luce, ma anche la larghezza di banda, la forma del segnale ottico, l'efficienza di trasmissione e le caratteristiche di frequenza. La modellazione numerica su una piattaforma di nitruro di silicio (un materiale standard della fotonica del silicio) ha mostrato un'elevata stabilità del dispositivo nei confronti di interferenze reali: perdite ottiche, variazioni tecnologiche dei parametri ed effetti termici.
Se la tecnologia sarà commercializzata, un singolo microchip di questo tipo potrà svolgere contemporaneamente diverse funzioni, dalla regolazione dei ritardi dei segnali alla conversione di frequenza, agendo come un sistema ottico programmabile. Ciò potrebbe ridurre drasticamente il consumo energetico dei data center e dei server di intelligenza artificiale, che già ora richiedono enormi potenze, e rendere le apparecchiature ottiche più compatte ed economiche.
Il professor Namkyu Park ha sottolineato che il nuovo principio di progettazione che utilizza la rappresentazione spinoriale aumenta significativamente la flessibilità dei circuiti integrati fotonici e consente di riorganizzare il flusso luminoso secondo necessità. Gli autori prevedono di sviluppare ulteriormente la tecnologia verso sistemi su larga scala basati sulla fotonica del silicio e sui suoi ibridi con tecnologie di intelligenza artificiale fotonica, un campo che sta solo iniziando a rivelare il suo potenziale.
I coautori della ricerca, il dottor Seungyoon Park e lo studente laureato Bomjun Chae, hanno aggiunto che la ridefinizione della fisica dei risonatori ottici da un nuovo punto di vista apre le porte a funzionalità precedentemente inimmaginabili. Il lavoro ha ricevuto il sostegno del Ministero della Scienza e delle Tecnologie dell'Informazione e della Comunicazione della Corea del Sud attraverso i programmi di centri di ricerca innovativi, laboratori di ricerca di base e il programma per giovani ricercatori.
