Міжнародний колектив вчених із Сеульського національного університету та Університету Сеула представив революційний програмований фотонний чіп, здатний уповільнювати світло за вимогою. Розробка відкриває шлях до переломного зсуву в оптичних обчисленнях: замість традиційних електричних сигналів можна використовувати світлові хвилі, які значно швидші, але при цьому потребують не набагато більше енергії.
Дослідження очолили професори Намкьо Парк і Сункю Ю з Сеульського національного університету (факультет електротехніки та інформатики) спільно з професором Сяньцзі Пяо з Університету Сеула. Важливу роль у розробці зіграли два молодих вчених: доктор наук Синкун Парк (Сеульський національний університет та Інноваційний центр PICORE при КАЇСТ) і аспірант Бомджун Чхе (Сеульський національний університет), які розробили теоретичну базу дослідження. Їхня робота опублікована в журналі Advanced Science під назвою «Повністю програмоване уповільнене світло на основі спінорного представлення узагальненої викликаної пов'язаними резонаторами прозорості».
Проблема оптичних систем давно відома: світло рухається, за визначенням, занадто швидко і не піддається простому контролю. Для синхронізації сигналів, буферизації даних і створення пам'яті в оптичних обчислювальних системах потрібні керовані часові затримки. Традиційні пристрої на основі ефекту викликаної пов'язаними резонаторами прозорості (CRIT) фіксували свої характеристики на етапі виробництва — переналаштовувати їх потім було неможливо.
Вчені запропонували принципово новий підхід. Замість статичної конструкції вони об'єднали два оптичних стани — яскравий і темний моди резонаторів — в єдиний ступінь свободи і додали керовані петльові зв'язуючі елементи. Головна інновація: використання спінорного представлення (математичного опису з квантової механіки) дозволило отримати повний набір ступенів свободи для налаштування. Результат: чіп можна переналаштовувати динамічно, вже після виготовлення і навіть під час роботи.
Програмований чіп контролює не тільки швидкість поширення світла, але й ширину смуги пропускання, форму оптичного сигналу, ефективність передачі та частотні характеристики. Чисельне моделювання на платформі нітриду кремнію (стандартному матеріалі кремнієвої фотоніки) показало високу стійкість пристрою до реальних перешкод: оптичних втрат, технологічного розкиду параметрів і теплових ефектів.
Якщо технологія буде комерціалізована, одна така мікросхема зможе виконувати одночасно кілька функцій — від регулювання затримок сигналів до перетворення частоти, діючи як програмована оптична система. Це може кардинально знизити енергоспоживання дата-центрів і серверів штучного інтелекту, які вже зараз потребують колосальних потужностей, і зробити оптичне обладнання компактнішим і дешевшим.
Професор Намкьо Парк підкреслив, що новий принцип проєктування з використанням спінорного представлення значно підвищує гнучкість фотонних інтегральних схем і дозволяє перебудовувати потік світла за необхідності. Автори планують розвивати технологію в напрямку великомасштабних систем на основі кремнієвої фотоніки та її гібридів з технологіями фотонного штучного інтелекту — галузь, яка тільки починає розкривати свій потенціал.
Співавтори дослідження — доктор Синкун Парк і аспірант Бомджун Чхе — додали, що переосмислення фізики оптичних резонаторів з нової точки зору відкриває двері до функціональностей, про які раніше просто не думали. Робота отримала підтримку Міністерства науки та інформаційно-комунікаційних технологій Південної Кореї через програми інноваційних дослідницьких центрів, базових дослідницьких лабораторій та програму для молодих дослідників.
