Faire de la lumière un atout pour le calcul

Il y a quatre-vingts ans, les chercheurs de Penn J. Presper Eckert et John Mauchly ont lancé l’ère du calcul électronique en exploitant les électrons pour résoudre des problèmes numériques complexes avec ENIAC, le premier ordinateur électronique polyvalent au monde.

Aujourd’hui, cette même architecture est toujours à la base du calcul général, mais les électrons commencent à montrer leurs limites. Parce qu’ils portent une charge, ils perdent de l’énergie sous forme de chaleur, rencontrent une résistance lorsqu’ils se déplacent dans les matériaux et deviennent plus difficiles à gérer à mesure que les puces intègrent davantage de transistors et traitent de plus grands volumes de données.

Alors que l’intelligence artificielle pousse le matériel actuel à traiter, déplacer et refroidir davantage, les physiciens de Penn, dirigés par Bo Zhen de la School of Arts & Sciences, se tournent vers le photon, la contrepartie sans masse de l’électron, pour prendre une plus grande partie de la charge.

« Parce qu’ils sont neutres et n’ont pas de masse au repos, les photons peuvent transporter rapidement des informations sur de longues distances avec une perte minimale, ce qui domine la technologie des communications, explique Li He, co-premier auteur d’un article publié dans Physical Review Letters et ancien chercheur postdoctoral au Zhen Lab. « Mais cette neutralité signifie qu’ils interagissent à peine avec leur environnement, ce qui les rend mauvais pour le type de logique de commutation de signaux dont les ordinateurs dépendent. »

L’équipe de Zhen a créé une quasiparticule qui « combine la vitesse de la lumière avec les fortes interactions de la matière ». Ces quasiparticules, ou exciton-polaritons, sont fabriquées en couplant les photons avec des électrons dans un semi-conducteur atomiquement mince, permettant à la lumière d’interagir suffisamment pour la commutation de signaux nécessaire au calcul.

Cette avancée pourrait être particulièrement importante pour l’IA.

De nombreuses puces d’IA photoniques peuvent déjà effectuer des calculs simples en utilisant la lumière, explique Zhen, mais pour réaliser des étapes d’activation non linéaire telles que l’application de règles de décision, elles doivent encore convertir les signaux lumineux en signaux électroniques plus lents et plus gourmands en énergie.

Ces traductions répétées érodent la vitesse et l’efficacité qui rendent le calcul photonique attrayant. En utilisant les exciton-polaritons, l’équipe a démontré une commutation entièrement optique à environ 4 quadrillionièmes de joule, ce qui représente une quantité d’énergie extraordinairement faible – bien moins que l’énergie utilisée pour alimenter brièvement une minuscule LED.

Si elle est étendue, la plateforme pourrait aider les puces photoniques à traiter directement la lumière provenant des caméras, réduire les besoins en énergie des grands systèmes d’IA et ouvrir la voie à des capacités de calcul quantique de base sur des puces.

Article : Strongly Nonlinear Nanocavity Exciton Polaritons in Gate-Tunable Monolayer Semiconductors – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Bo Zhen est le professeur associé présidentiel Jin K. Lee au Département de physique et d’astronomiede la School of Arts & Sciencesde l’Université de Pennsylvanie. Li He était chercheur postdoctoral au Zhen Lab à Penn Arts & Sciences. Il est actuellement professeur adjoint à l’université d’État du Montana. Les autres auteurs sont Zhi Wang et Bumho Kim de la School of Arts & Sciences de l’université de Pennsylvanie.

Source : Penn U.