人类第一次实现用光存储信息:悉尼大学将光子计算推向现实

悉尼大学的研究人员通过将光波中搭载的信息转换为集成电路或微芯片中的声波,让存储光波中的信息成为了可能。

这是第一次,人类实现了光信息存储。将光中的信息转换为声学信息,并在芯片中进行反向转换,对于光子集成电路的发展至关重要:在微芯片中使用光而非电子来管理数据。

这些芯片可以被用于开发通信、光纤网络和云计算数据中心。在这些方面,传统电子设备容易受到电磁干扰,产生过多热量,同时耗费过多能源。理论上,光子计算机至少要比目前的传统计算机速度快上 20 倍。

「声学形式的芯片信息的速度比光学的慢 5 个数量级,」悉尼大学研究员兼项目主管 Birgit Stiller 博士说,「这就像雷声与闪电之间的区别,」她又说。

该延迟允许在芯片内简要地存储和管理数据,以便作为光波进行处理、检索和进一步传输。

光是信息的绝佳载体,可用于通过光纤电缆在大陆之间长距离传输数据。

但是,当在计算机和电信系统中处理信息时,这一速度优势可能会起反作用。

工作原理的风格化解释。1. 从左侧进入的光子(光)数据脉冲(黄色)。2. 从右侧进入的「写入脉冲」(蓝色)。3. 数据和写入脉冲在芯片中相互作用,产生声波,存储数据并允许进行处理、检索和进一步传输。4. 另一个光子读取脉冲(蓝色)进入芯片,访问声学数据并将作为光子信息的数据(黄色)发送到微芯片的右侧。5. 根据芯片上的螺旋长度,光通过芯片需要 2 到 3 纳秒。信息可以在芯片上作为声学数据保持 10 纳秒以上。


为了解决这些问题,同是来自光学系统超高宽带(CUDOS)卓越 ARC 中心的首席作家 Moritz Merklein 和 Stiller 博士现已展示了一个数字信息内存,它可以在光子微芯片上相干地传输光与声波。

该芯片在澳大利亚国立大学激光物理中心制造,CUDOS 卓越中心也参与了部分制作。

改进控制

悉尼大学博士研究生 Merklein 说:「在芯片内部构建声学缓冲器把我们控制信息的能力提升了几个数量级。」

Stiller 博士说:「我们的系统不局限于窄带宽。因此,与之前的系统不同,该系统允许我们同时储存和检索不同波长的信息,大幅提高了设备的效率。」

光纤和相关的光学信息——利用光来传输数据比用电传输数据具备更大的优势:带宽增加,数据以光速传输,且不会因电阻而发热。光子与电子不同,它还不受电磁辐射的干扰。


然而,光速运行的数据也有其内在的问题:为了对信息进行有效的处理,你必须先在电脑芯片上降低其速度。

在传统的微芯片上利用电子电路处理信息。但随着计算机和通信系统规模增大以及计算速度的提升,产生的热量如此之大,以至于无法控制。光子芯片的使用(绕过电子电路的问题)是个有效的解决办法,一些大公司如 IBM 和英特尔正在努力研究这项技术。

Merklein 说:「为了使光信息处理能成为商业现实,芯片的光子数据需要被减速,以使信息能被处理、传输、存储和访问。」


CUDOS 负责人、ARC 获奖研究员以及论文合著者 Benjamin Eggleton 教授说:「这项成果在光信息处理领域的发展中是很重要的一步,它满足了现在和未来的光学通信系统的所有需求。」

入门理论光计算物理
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