Иллюстрация, изображающая гибридные частицы, обеспечивающие оптическое переключение.

На протяжении почти 80 лет современные вычислительные системы работали за счёт электронов, движущихся по проводам. Эта же идея лежала в основе первых электронных машин, таких как ENIAC, и до сих пор используется в современных смартфонах, ноутбуках и огромных центрах обработки данных с искусственным интеллектом.

Однако искусственный интеллект выявил серьёзное слабое место электронных вычислительных систем. Электроны выделяют тепло, теряют энергию, и управлять ими становится всё сложнее по мере усложнения микросхем.

Обучение и работа продвинутых моделей ИИ уже потребляют огромное количество электроэнергии, из‑за чего возникают опасения, что будущие системы могут стать слишком энергозатратными для эффективной эксплуатации. Учёные давно надеются, что эту проблему смогут решить фотоны.

«Поскольку они нейтральны по заряду и имеют нулевую массу покоя, фотоны могут быстро передавать информацию на большие расстояния с минимальными потерями, доминируя в технологиях связи», — говорит Ли Хэ, доцент кафедры физики Университета штата Монтана.

Именно поэтому свет уже доминирует в интернет‑коммуникациях благодаря оптоволоконным кабелям. Однако у фотонов есть существенный недостаток. «Они почти не взаимодействуют с окружающей средой, из‑за чего плохо подходят для переключения сигналов — логики, на которой основаны компьютеры», — добавил Хэ.

Теперь исследователи из Университета Пенсильвании заявляют, что, возможно, нашли способ обойти это ограничение, создав странную гибридную частицу, которая одновременно ведёт себя и как свет, и как материя.

Использование света для выполнения вычислительных задач

Авторы исследования сосредоточились на создании квазичастиц, называемых экситон‑поляритонами. Это не обычные частицы, встречающиеся в природе, а гибридные состояния, образующиеся, когда фотоны сильно связываются с электронными возбуждениями внутри материала.

Чтобы понять эту идею, представьте, что фотоны и материя становятся настолько тесно связаны, что перестают вести себя независимо и вместо этого действуют как единая объединённая сущность. Исследователи добились этого, используя атомарно тонкий полупроводниковый монослой, встроенный в наноразмерный оптический резонатор, созданный для захвата и управления светом.

Внутри устройства фотоны интенсивно взаимодействовали с экситонами — связанными парами, образующимися, когда электроны оставляют после себя положительно заряженные «дырки» внутри полупроводника. При правильных условиях взаимодействие становилось чрезвычайно сильным, создавая экситон‑поляритоны, унаследовавшие свойства обеих сторон.

От фотонов они получили невероятную скорость и движение с низкими энергозатратами. От материи — способность активно взаимодействовать с другими сигналами.

«Этот нелинейный отклик значительно превосходит отклик обычных нелинейных оптических материалов, открывая многообещающий путь к полностью оптическим вычислениям и фотонной квантовой обработке информации», — отмечают авторы исследования.

Второй аспект стал настоящим прорывом

Сами по себе экситон‑поляритоны не новы и изучаются уже много лет. Однако достижение сильного нелинейного оптического переключения при чрезвычайно низких энергиях в компактной платформе с нанорезонатором оставалось серьёзной задачей.

Традиционные фотонные системы сталкиваются с трудностями, потому что фотоны обычно проходят друг через друга, не взаимодействуя. Хотя это идеально подходит для связи, это становится серьёзным препятствием для вычислений, особенно для систем ИИ, требующих нелинейных операций и этапов принятия решений.

Многие экспериментальные фотонные ИИ‑чипы сегодня по‑прежнему вынуждены преобразовывать оптические сигналы обратно в электронные для выполнения этих задач. Каждое преобразование замедляет систему и приводит к потерям энергии.

В предыдущих исследованиях в области фотонных вычислений изучались кремниевая фотоника и аппаратное обеспечение оптических нейронных сетей, но большинство систем по‑прежнему сильно зависят от электроники для переключения и управления.

Новая платформа на основе экситон‑поляритонов частично решила эту проблему, обеспечив полностью оптическое переключение, при котором один световой сигнал напрямую управляет другим без преобразования чего‑либо в электричество.

Исследователи продемонстрировали переключение на уровне энергии примерно в четыре квадриллионных доли джоуля — необычайно малого количества энергии, которое намного меньше того, что требуется для кратковременного питания даже небольшого светодиода.

«Примечательно, что мы достигаем полностью оптического переключения спектра резонатора с энергией возбуждения всего лишь ∼4 фДж (4×10^-15 джоулей), устанавливая новый эталон для энергии переключения в двумерных системах с экситон‑поляритонами», — заявили авторы исследования.

Работа показывает, что эта платформа восполняет один из ключевых недостающих компонентов, необходимых для будущих полностью оптических вычислений.

Способ сделать центры обработки данных для ИИ более экологичными

Если технологию удастся успешно масштабировать, она может резко сократить энергозатраты систем искусственного интеллекта. Современная инфраструктура ИИ потребляет огромные объёмы электроэнергии не только для обработки данных, но и для охлаждения перегретых электронных чипов.

Например, такие компании, как Microsoft, сейчас строят центры обработки данных для задач ИИ с усовершенствованными системами жидкостного охлаждения, потому что плотные скопления процессоров ИИ выделяют столько тепла, что традиционного воздушного охлаждения уже недостаточно. Фактически в некоторых объектах стойки с ИИ‑чипами могут выделять столько тепла, сколько дают десятки непрерывно работающих обогревателей.

Фотонные системы на основе экситон‑поляритонов потенциально могут избежать большей части этих потерь, поскольку свет выделяет гораздо меньше тепла, чем движущиеся электрические заряды.