In einem heute veröffentlichten Artikel in Wissenschaftliche Fortschrittehaben Forscher der University of Oxford eine Methode entwickelt, die die Polarisation von Licht nutzt, um die Informationsspeicherdichte und die Rechenleistung unter Verwendung von Nanodrähten zu maximieren.
Licht hat eine nutzbare Eigenschaft – verschiedene Lichtwellenlängen interagieren nicht miteinander – eine Eigenschaft, die von Glasfasern verwendet wird, um parallele Datenströme zu übertragen. Ebenso interagieren unterschiedliche Lichtpolarisationen nicht miteinander. Jede Polarisierung kann als unabhängiger Informationskanal verwendet werden, wodurch mehr Informationen in mehreren Kanälen gespeichert werden können, was die Informationsdichte enorm erhöht.
Erstautorin und DPhil-Studentin June Sang Lee, Department of Materials, University of Oxford, sagte: „Wir alle wissen, dass der Vorteil der Photonik gegenüber der Elektronik darin besteht, dass Licht über große Bandbreiten schneller und funktioneller ist. Unser Ziel war es also, dies vollständig zu nutzen Vorteile der Photonik in Kombination mit abstimmbarem Material, um eine schnellere und dichtere Informationsverarbeitung zu realisieren.“
Polarisation als eigenständiger Kanal. Bildnachweis: June Sang Lee, Department of Materials, University of Oxford
In Zusammenarbeit mit Professor C. David Wright, University of Exeter, entwickelte das Forschungsteam einen HAD-Nanodraht (Hybridized-Active-Dielectric) unter Verwendung eines glasartigen Hybridmaterials, das bei Beleuchtung mit optischen Impulsen schaltbare Materialeigenschaften zeigt. Jeder Nanodraht zeigt selektive Reaktionen auf eine bestimmte Polarisationsrichtung, sodass Informationen gleichzeitig unter Verwendung mehrerer Polarisationen in verschiedenen Richtungen verarbeitet werden können.
Unter Verwendung dieses Konzepts haben Forscher den ersten photonischen Rechenprozessor entwickelt, der Lichtpolarisationen nutzt.
Photonic Computing wird über mehrere Polarisationskanäle durchgeführt, was zu einer Erhöhung der Rechendichte um mehrere Größenordnungen im Vergleich zu der herkömmlicher elektronischer Chips führt. Die Rechengeschwindigkeiten sind höher, da diese Nanodrähte durch optische Impulse im Nanosekundenbereich moduliert werden.
Seit der Erfindung des ersten integrierten Schaltkreises im Jahr 1958 ist das Packen von mehr Transistoren in eine bestimmte Größe eines elektronischen Chips das Mittel der Wahl, um die Rechendichte zu maximieren – das sogenannte „Mooresche Gesetz“. Da künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen jedoch spezialisierte Hardware erfordern, die die Grenzen des etablierten Computing zu erweitern beginnt, war die vorherrschende Frage in diesem Bereich der Elektrotechnik: „Wie packen wir mehr Funktionalitäten in einen einzigen Transistor?“
Seit über einem Jahrzehnt beschäftigen sich Forscher im Labor von Professor Harish Bhaskaran am Department of Materials der University of Oxford mit der Verwendung von Licht als Rechenmittel.
Professor Bhaskaran, der die Arbeit leitete, sagte: „Dies ist erst der Anfang dessen, was wir uns für die Zukunft wünschen, nämlich die Nutzung aller Freiheitsgrade, die Licht bietet, einschließlich der Polarisierung, um die Informationsverarbeitung drastisch zu parallelisieren. Bühnenarbeit, aber super aufregende Ideen, die Elektronik, nichtlineare Materialien und Computer kombinieren. Viele aufregende Perspektiven, an denen man arbeiten kann, sind immer ein großartiger Ort.“
June Sang Lee et al, Polarisationsselektive Rekonfigurierbarkeit in hybridisierten aktiv-dielektrischen Nanodrähten, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn9459. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9459