Speed ​​Unleashed: Bagaimana sakelar kuantum kecil adalah pusat data supercharging

Peneliti di Universitas Pennsylvania telah mengembangkan sakelar fotonik inovatif yang secara drastis meningkatkan efisiensi dan kecepatan transmisi data di seluruh jaringan serat optik.

Dengan menggabungkan fisika non-Hermitian dan menggunakan desain berbasis silikon, beralih ini tidak hanya meningkatkan kontrol atas perilaku Light tetapi juga menawarkan kompatibilitas dengan infrastruktur teknologi saat ini, menjanjikan layanan internet yang lebih cepat dan pusat data yang lebih efisien.

Terobosan dalam teknologi sakelar fotonik

Setiap detik, terabyte data-cukup untuk mengunduh ribuan film secara bersamaan-bepergian keliling dunia sebagai pulsa cahaya dalam kabel serat optik. Kabel ini berfungsi seperti jalan raya super cepat, tetapi ketika data mencapai tujuannya di pusat data, ia membutuhkan sistem untuk mengarahkannya secara efisien, seperti lampu lalu lintas membantu mobil keluar dari jalan raya dengan cara yang tertib.

Sakelar fotonik, yang merutekan sinyal optik ini, telah lama menghadapi tradeoff antara ukuran dan kecepatan. Sakelar yang lebih besar dapat memproses lebih banyak data pada kecepatan yang lebih tinggi tetapi mengonsumsi lebih banyak energi, mengambil lebih banyak ruang, dan meningkatkan biaya.

Mempercepat jalan keluar informasi

Dalam terobosan yang dijelaskan di Fotonik Alampara peneliti di Fakultas Teknik dan Ilmu Pengetahuan Terapan Universitas Pennsylvania telah mengembangkan saklar fotonik baru yang mengatasi tantangan ini. Mengukur hanya 85 kali 85 mikrometer per unit – lebih kecil dari sebutir garam – sakelar baru ini siap untuk merevolusi bagaimana data bergerak di seluruh jaringan global.

Dengan memanipulasi cahaya di nano Dengan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya, sakelar baru mempercepat proses mendapatkan data di dalam dan mematikan informasi luar biasa dari kabel serat optik yang melingkari dunia. “Ini memiliki potensi untuk mempercepat segalanya mulai dari streaming film hingga pelatihan AI,” kata Liang Feng, Profesor dalam Ilmu Pengetahuan dan Teknik Bahan (MSE) dan dalam Electrical and Systems Engineering (ESE) dan penulis senior kertas tersebut.

Memanfaatkan fisika non-Hermitian

Switch baru bergantung pada fisika non-Hermitian, cabang mekanika kuantum yang mengeksplorasi bagaimana sistem tertentu berperilaku dengan cara yang tidak biasa, memberi para peneliti lebih terkendali atas perilaku Light. “Kami dapat menyetel keuntungan dan kehilangan materi untuk memandu sinyal optik menuju pintu keluar jalan raya yang tepat,” kata Xilin Feng, seorang mahasiswa doktoral di ESE dan penulis pertama kertas tersebut. Dengan kata lain, fisika unik yang sedang dimainkan memungkinkan para peneliti untuk menjinakkan aliran cahaya pada chip kecil, memungkinkan kontrol yang tepat atas konektivitas jaringan berbasis cahaya.

Hasilnya adalah bahwa sakelar baru dapat mengarahkan sinyal dalam triliun detik dengan konsumsi daya minimal. “Ini sekitar satu miliar kali lebih cepat dari sekejap mata,” kata Shuang Wu, seorang mahasiswa doktoral di MSE dan rekan penulis kertas. “Sakelar sebelumnya kecil atau cepat, tetapi sangat, sangat sulit untuk mencapai dua sifat ini secara bersamaan.”

Keuntungan integrasi silikon

Switch baru ini juga terkenal karena sebagian dari silikon, bahan standar industri yang murah dan tersedia secara luas. “Peralihan non-Hermitian belum pernah ditunjukkan dalam platform fotonik silikon sebelumnya,” kata Wu.

Secara teori, penggabungan silikon ke dalam sakelar akan memfasilitasi penskalaan perangkat untuk produksi massal dan adopsi luas dalam industri. Silikon adalah komponen kunci di sebagian besar teknologi, dari komputer hingga smartphone; Membangun perangkat menggunakan silikon membuatnya sepenuhnya kompatibel dengan silicon fotonic foundries yang ada, yang membuat chip canggih untuk perangkat seperti unit pemrosesan grafis (GPU).

Tantangan dalam Pembuatan Perangkat

Di atas lapisan silikon, sakelar terdiri dari jenis semikonduktor tertentu, terbuat dari indium gallium arsenide fosfida (InGAASP), bahan yang sangat efektif dalam memanipulasi panjang gelombang inframerah cahaya, seperti yang biasanya ditularkan pada kabel optik bawah laut.

Bergabung dengan dua lapisan terbukti menantang, dan membutuhkan banyak upaya untuk membangun prototipe yang berfungsi. “Ini mirip dengan membuat sandwich,” kata Xilin Feng, merujuk pada menambahkan lapisan satu sama lain. Hanya saja, dalam hal ini, jika salah satu dari lapisan -lapisan itu tidak selaras dengan tingkat yang kecil, sandwich akan sepenuhnya tidak dapat dimakan. “Penyelarasan membutuhkan nanometer ketepatan”Catatan Wu.

Mengubah pusat data

Pada akhirnya, para peneliti mengatakan, pergantian baru tidak akan menguntungkan tidak hanya fisikawan akademik, yang sekarang dapat mengeksplorasi lebih lanjut fisika non-Hermitian yang menjadi dasar pergantian, tetapi perusahaan yang memelihara dan membangun pusat data, dan miliaran pengguna yang mengandalkannya . “Data hanya bisa secepat yang bisa kita kendalikan,” kata Liang Feng. “Dan dalam percobaan kami, kami menunjukkan bahwa batas kecepatan sistem kami hanya 100 picoseconds.”

Referensi: “Pergantian fotonik silikon hibrida non-Hermitian” oleh Xilin Feng, Tianwei Wu, Zihe Gao, Haoqi Zhao, Shuang Wu, Yichi Zhang, Li Ge dan Liang Feng, 2 Januari 2025, Fotonik Alam.
Doi: 10.1038/s41566-024-01579-9

Studi ini dilakukan di Fakultas Teknik dan Ilmu Pengetahuan Terapan Universitas Pennsylvania dan didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat (ARO) (W911NF-21-1-0148 dan W911NF-22-1-0140), Kantor Penelitian Angkatan Laut (ONR ) (N00014-23-1-2882) dan National Science Foundation (NSF) (ECCS-2023780, DMR-2326698, DMR-2326699 dan DMR-217775).

Rekan penulis tambahan termasuk Tianwei Wu, Zihe Gao, Haoqi Zhao, dan Yichi Zhang dari Penn Engineering dan Li Ge dari City University of New York.