Międzynarodowy zespół naukowców z Uniwersytetu Narodowego w Seulu i Uniwersytetu Seulskiego zaprezentował rewolucyjny, programowalny układ fotoniczny, zdolny do spowalniania światła na żądanie. Opracowanie to otwiera drogę do przełomowej zmiany w obliczeniach optycznych: zamiast tradycyjnych sygnałów elektrycznych można wykorzystać fale świetlne, które są znacznie szybsze, a jednocześnie wymagają niewiele więcej energii.
Badaniom przewodniczyli profesorowie Namkyoo Park i Sungkyu Yu z Uniwersytetu Narodowego w Seulu (Wydział Elektrotechniki i Informatyki) we współpracy z profesorem Xianji Piao z Uniwersytetu Seulskiego. Ważną rolę w opracowaniu odegrali dwaj młodzi naukowcy: doktor nauk Seungkyun Park (Uniwersytet Narodowy w Seulu i Centrum Innowacji PICORE przy KAIST) oraz doktorant Bomjun Chae (Uniwersytet Narodowy w Seulu), którzy opracowali teoretyczne podstawy badania. Ich praca została opublikowana w czasopiśmie Advanced Science pod tytułem „W pełni programowalne spowolnione światło oparte na spinorowej reprezentacji uogólnionej przezroczystości indukowanej sprzężonymi rezonatorami”.
Problem systemów optycznych jest od dawna znany: światło z definicji porusza się zbyt szybko i nie podlega prostemu sterowaniu. Do synchronizacji sygnałów, buforowania danych i tworzenia pamięci w optycznych systemach obliczeniowych potrzebne są sterowalne opóźnienia czasowe. Tradycyjne urządzenia oparte na efekcie przezroczystości indukowanej sprzężonymi rezonatorami (CRIT) miały swoje charakterystyki ustalone na etapie produkcji – niemożliwe było ich późniejsze dostosowanie.
Naukowcy zaproponowali fundamentalnie nowe podejście. Zamiast statycznej konstrukcji, połączyli dwa stany optyczne – jasne i ciemne mody rezonatorów – w jedną stopień swobody i dodali sterowalne elementy sprzęgające pętle. Główna innowacja: wykorzystanie reprezentacji spinorowej (matematycznego opisu z mechaniki kwantowej) pozwoliło uzyskać pełen zestaw stopni swobody do konfiguracji. Wynik: układ można rekonfigurować dynamicznie, już po jego wykonaniu, a nawet podczas pracy.
Programowalny układ steruje nie tylko prędkością propagacji światła, ale także szerokością pasma przepustowości, kształtem sygnału optycznego, efektywnością transmisji i charakterystykami częstotliwościowymi. Symulacje numeryczne na platformie azotku krzemu (standardowym materiale fotoniki krzemowej) wykazały wysoką odporność urządzenia na rzeczywiste zakłócenia: straty optyczne, technologiczne rozproszenie parametrów i efekty termiczne.
Jeśli technologia zostanie skomercjalizowana, jeden taki mikroprocesor będzie mógł jednocześnie wykonywać kilka funkcji – od regulacji opóźnień sygnałów po konwersję częstotliwości, działając jako programowalny system optyczny. Może to znacząco obniżyć zużycie energii w centrach danych i serwerach sztucznej inteligencji, które już teraz wymagają kolosalnych mocy, oraz uczynić sprzęt optyczny bardziej kompaktowym i tańszym.
Profesor Namkyoo Park podkreślił, że nowa zasada projektowania z wykorzystaniem reprezentacji spinorowej znacznie zwiększa elastyczność fotonicznych układów scalonych i pozwala na dostosowywanie przepływu światła w zależności od potrzeb. Autorzy planują rozwijać technologię w kierunku systemów wielkoskalowych opartych na fotonice krzemowej i jej hybryd z technologiami fotonicznej sztucznej inteligencji – dziedzinie, która dopiero zaczyna odkrywać swój potencjał.
Współautorzy badania – doktor Seungkyun Park i doktorant Bomjun Chae – dodali, że ponowne przemyślenie fizyki rezonatorów optycznych z nowej perspektywy otwiera drzwi do funkcjonalności, o których wcześniej po prostu się nie myślało. Praca otrzymała wsparcie Ministerstwa Nauki i Technologii Informacyjnych oraz Komunikacyjnych Korei Południowej poprzez programy centrów badań innowacyjnych, podstawowych laboratoriów badawczych i program dla młodych badaczy.
