Почему фотонный компьютер будет в десятки тысяч раз быстрее электронного

Фотоника — это раздел современной оптики, в рамках которого изучаются источники оптического излучения, условия его распространения в пространстве или через какие-то материалы, а также методы приема и управления этим излучением.

Под оптическим излучением обычно понимают видимый свет, у которого длина волны составляет от 380 нм до 780 нм. То есть это то излучение, которое воспринимается человеческим глазом. Также к оптическому излучению относят инфракрасные волны и ближнее ультрафиолетовое излучение. Если же рассматривается взаимодействие тех частиц, из которых состоит свет — фотонов — с нанометровыми объектами, то говорят уже не о фотонике, а о нанофотонике.

Российское министерство образования и науки включило фотонику и нанофотонику в число наиболее перспективных направлений исследований. С чем это связано?

В наш век высоких технологий очень большое значение имеют обработка и передача информации в больших объемах и с очень высокими скоростями. Говорят даже о проблеме «больших данных», которые возникают при обработке результатов измерений радиотелескопов, при анализе потоков данных в социальных сетях или обработке видео и аудиоизображений.

Наиболее распространенный сейчас метод обработки и передачи информации основан на кремниевых технологиях. При этом информация передается за счет потока электронов. Однако эта технология имеет свои ограничения. Размер современных электронных устройств достиг нескольких десятков нанометров и приближается к своему критическому значению, поскольку на таких масштабах все большую роль начинают играть квантовые явления. Кроме того, в таких миниатюрных элементах выделяется гигантское количество тепла. Например, современный суперкомпьютер потребляет мощности порядка сотен мегаватт, что, конечно, очень много.

Альтернативой электронным вычислениям являются фотонные, в которых для передачи и обработки информации используют уже не электроны, а фотоны.

Фотоны — это кванты электромагнитного излучения. В отличие от электронов они не имеют ни заряда, ни массы покоя. Ожидается, что использование фотонов позволит существенно продвинуться в скорости обработки информации, увеличив ее как минимум на четыре порядка.

Это связано с несколькими обстоятельствами. Фотоны, кроме того что не обладают массой покоя, могут распространяться со скоростями порядка скорости света (около 300 000 км/с). Кроме того, фотоны, соответствующие оптическому диапазону, позволяют передавать огромные массивы данных за счет того, что эти волны имеют большую частоту. Так, частота волн оптического диапазона составляет 10¹⁵ Гц, что позволяет организовать большое количество каналов связи.

Для того чтобы в световую волну вложить необходимую информацию и передать ее, требуется как-то воздействовать на поток фотонов. В этом заключается одна из проблем нанофотоники, с которой в электронике сталкиваются не так остро. Электроны ведь обладают зарядом, что позволяет воздействовать на них при помощи внешних электрических или магнитных полей — в результате такого воздействия электроны изменяют свое движение, что позволяет передавать сигналы. На фотоны так просто воздействовать нельзя. Если световой луч распространяется по вакууму, то траектория его движения не изменится даже при наличии электрических или магнитных полей.

Существуют разные методы решить эту проблему. Например, если распространять фотоны через какой-нибудь материал, то на них станет возможно воздействовать при помощи электрического или магнитного поля. Этим занимаются такие разделы современной оптики, как электрооптика и магнитооптика.

Конечно, нанофотоника сталкивается не только с проблемой управления излучением, но  и с проблемой создания миниатюрных источников излучения, фактически миниатюрных лазеров. В этом направлении тоже делаются шаги, проводятся активные исследования. Недавно были продемонстрированы так называемые спазеры. Это лазеры, основанные на возбуждении плазмонных колебаний. Плазмонами называются гибридные колебания, которые одновременно включают в себя колебания фотонов и электронов металла. Эти источники тоже могут быть очень перспективны для создания оптических микросхем и  наносхем, которые можно будет потом использовать в оптических компьютерах.

Сегодня основной задачей нанофотоники является создание элементной базы, которая потом будет использована для обработки и передачи информации в оптических компьютерах.

Компании IBM и Fujitsu уже продемонстрировали первые гибридные процессоры, которые используют как оптические, так и электронные технологии.

Тем не менее следует ожидать, что в ближайшем будущем удастся сконструировать не кремниево-фотонный процессор, но устройство, в котором информация полностью передается и обрабатывается за счет фотонных потоков.

Конечно, необходимо учитывать не только быстродействие устройства, но и экономическую составляющую. Пока сделать кремниевый чип гораздо проще и дешевле. Однако развитие технологий позволяет с оптимизмом смотреть в будущее и ожидать, что спустя какое-то время оптические устройства станут экономически оправданны. На этом этапе относительная доля фотонных устройств существенно вырастет и рынок кремниевых устройств сократится.

Тем не менее вряд ли стоит ожидать полного вытеснения кремниевых устройств фотонными.

Скорее всего, сохранится большое количество областей применения, где будут не нужны рекордные скорости и уже привычные нам кремниевые технологии окажутся более удобными.