デジタルの未来は、今日のトランジスタよりも 100 万倍高速な光スイッチに依存する可能性があります

もっと高速な電話、コンピューター、またはインターネット接続があればいいのにと思ったことがある人は、テクノロジーの限界に達した経験があるでしょう。 しかし、途中で助けが得られるかもしれません。

過去数十年にわたり、私のような科学者やエンジニアは、現代の電子およびデジタル通信技術の基礎となる電子部品である、より高速なトランジスタの開発に取り組んできました。 これらの取り組みは、特殊な電気特性を持つ半導体と呼ばれる材料のカテゴリーに基づいています。 この種の材料の最もよく知られた例はおそらくシリコンです。

しかし、約 10 年前、科学的努力により、半導体ベースのトランジスタの速度限界に達しました。 研究者は、これらの材料中を電子がより速く移動できるようにすることはできません。 エンジニアがシリコン内を電流を流す際の速度制限に対処しようとしている 1 つの方法は、より短い物理回路を設計することであり、本質的には電子の移動距離を短くすることです。 チップの計算能力を高めるには、結局のところ、トランジスタの数を増やす必要があります。 しかし、たとえ研究者がトランジスタを非常に小さくすることができたとしても、人々や企業が必要とするより高速な処理やデータ転送速度には十分ではありません。

私の研究グループの研究は、自由空間と光ファイバーで超高速レーザーパルスを使用して、より高速にデータを移動する方法を開発することを目的としています。 レーザー光は、ほとんど損失なく、非常に低いレベルのノイズで光ファイバーを通過します。

2023 年 2 月に Science Advances に掲載された最新の研究では、これに向けて一歩を踏み出し、光トランジスタを備えたレーザーベースのシステムを使用することが可能であることを実証しました。このシステムは、電子の移動と転送に電圧ではなく光子に依存します。現在のシステムよりもはるかに迅速に情報を取得でき、以前に報告された光スイッチよりも効率的に情報を取得できます。

最も基本的なレベルでは、デジタル伝送には、1 と 0 を表す信号のオンとオフの切り替えが含まれます。 電子トランジスタは電圧を使用してこの信号を送信します。電圧によって電子がシステム内を流れるように誘導されると、トランジスタは 1 の信号を送ります。 電子が流れていない場合、信号は 0 になります。これには、電子を放出するソースと電子を検出するレシーバーが必要です。

当社の超高速光データ伝送システムは、電圧ではなく光に基づいています。 私たちの研究グループは、シリコンの現在の制限を回避するために、現代のプロセッサの構成要素であるトランジスタ レベルで光通信に取り組んでいる研究グループの 1 つです。

反射光を制御して情報を伝達するシステムです。 光がガラスに当たると、わずかに反射することがありますが、ほとんどの光は透過します。 それは、太陽光に向かって運転したり、窓から眺めたりするときにまぶしさとして感じるものです。

2 つの光源から送信され、同じガラスを通過する 2 つのレーザー ビームを使用します。 1 つのビームは一定ですが、ガラスを通過するビームの透過は 2 番目のビームによって制御されます。 2 番目のビームを使用してガラスの特性を透明から反射にシフトすることで、一定のビームの送信を開始および停止し、光信号をオンからオフに切り替えたり、再びオンに戻したりすることができます。

この方法を使用すると、現在のシステムが電子を送るよりもはるかに速くガラスの特性を切り替えることができます。 そのため、より多くのオン/オフ信号 (0 と 1) をより短い時間で送信できるようになります。

私たちの研究は、一般的な電子機器を使用した場合よりも 100 万倍速くデータを送信するための第一歩を踏み出しました。 電子の場合、データを送信する最大速度はナノ秒、つまり10億分の1秒と非常に高速です。 しかし、私たちが構築した光スイッチは、データを 100 万倍高速に送信でき、所要時間はわずか数百アト秒でした。

また、メッセージを傍受または変更しようとする攻撃者が失敗するか検出されないように、これらの信号を安全に送信することもできました。

レーザー光線を使用して信号を伝送し、別のレーザー光線で制御されるガラスでその信号強度を調整することは、情報がより速く伝わるだけでなく、より長い距離まで伝わることを意味します。