Экситон-поляритоны могут решить проблему энергопотребления в эпоху ИИ

Исследовательская группа под руководством физика Бо Чжэня из Пенсильванского университета (Школа искусств и наук) обнаружила новый способ управления светом для вычислений с использованием квазичастиц экситон-поляритонов. Ученые смогли реализовать сверхэнергоэффективное оптическое переключение с рекордно низким порогом энергии около 4 фемтоджоулей. Результаты этой работы были опубликованы в авторитетном научном журнале Physical Review Letters.

Восемь десятилетий назад Дж. Преспер Эккерт и Джон Мокли из Пенсильванского университета запустили эру электронных вычислений, создав ENIAC — первый универсальный электронный компьютер. С тех пор архитектура на основе электронов, несущих заряд, остается фундаментом вычислительной техники. Однако сегодня эта платформа достигает своих физических пределов: движение электронов через материалы встречает сопротивление, рассеивая энергию в виде тепла, что становится критической проблемой по мере роста числа транзисторов и объемов обрабатываемых данных, особенно в системах искусственного интеллекта.

В поисках альтернативы физики обращаются к фотону, безмассовому и электрически нейтральному носителю информации. Фотоны идеально подходят для быстрой передачи данных на большие расстояния с минимальными потерями, но их нейтральность делает их практически неспособными к необходимому для вычислений переключению сигналов, так как они слабо взаимодействуют с окружением.

Команда Бо Чжэня нашла элегантное решение, создав квазичастицу под названием экситон-поляритон. Эта частица рождается при связи фотона с электроном в атомарно тонком полупроводнике из дисульфида молибдена (MoSe₂), помещенном в планарный фотонный кристаллический нанорезонатор. Благодаря сильному удержанию света в нанорезонаторе и гибридизации возбуждений, экситон-поляритоны сочетают в себе скорость света (что дает быстродействие) и сильное материальное взаимодействие (что позволяет управлять сигналом).

В ходе экспериментов исследователи продемонстрировали полностью оптическое переключение спектра резонатора, затрачивая энергию всего около 4 квадриллионных долей джоуля. Это значение на несколько порядков ниже ранее достигнутых порогов в аналогичных двумерных системах. Более того, время переключения составило всего несколько пикосекунд, что подтверждает ультрабыстрый характер процесса.

Особое значение это открытие имеет для искусственного интеллекта, где фотонные чипы сегодня вынуждены преобразовывать световые сигналы обратно в электронные для выполнения нелинейных этапов активации, например, для принятия решений.

Такие преобразования убивают всю привлекательность оптических вычислений, снижая скорость и повышая энергопотребление. Новая платформа на экситон-поляритонах позволяет выполнять эти нелинейные операции непосредственно в оптической среде, устраняя узкие места.

В перспективе технология может привести к созданию фотонных чипов, способных обрабатывать сигнал напрямую от оптических датчиков, радикально снизить энергозатраты крупных нейросетей и даже заложить основы для квантовых вычислений на чипе.

Коротко о результате исследования: группа физиков создала платформу на основе экситон-поляритонов в двумерном полупроводнике, которая позволяет выполнять оптическое переключение с рекордно низким энергопотреблением (около 4 фДж) и ультрабыстрым временем отклика в несколько пикосекунд. Это достижение устраняет необходимость в энергоемком преобразовании световых сигналов в электронные, открывая путь к полностью оптическим вычислительным системам, особенно востребованным для задач искусственного интеллекта и квантовой обработки информации.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях