Nouveau « transistor » optique pour accélérer le calcul jusqu’à 1 000 fois, avec l’énergie

Une équipe de recherche internationale dirigée par Skoltech et IBM a créé un commutateur optique extrêmement économe en énergie qui pourrait remplacer les transistors électroniques dans une nouvelle génération d’ordinateurs manipulant des photons plutôt que des électrons. En plus d’une économie d’énergie directe, le commutateur ne nécessite aucun refroidissement et est très rapide : à 1 000 milliards d’opérations par seconde, il est entre 100 et 1 000 fois plus rapide que les transistors commerciaux haut de gamme d’aujourd’hui. L’étude sort mercredi dans Nature.

« Ce qui rend le nouvel appareil si économe en énergie, c’est qu’il ne prend que quelques photons pour changer« , a commenté le premier auteur de l’étude, le Dr Anton Zasedatelev. « En fait, dans nos laboratoires Skoltech, nous avons réussi la commutation avec un seul photon à température ambiante ! Cela dit, il reste un long chemin à parcourir avant qu’une telle démonstration de preuve de principe ne soit utilisée dans un coprocesseur tout optique », a ajouté le professeur Pavlos Lagoudakis, qui dirige les laboratoires de photonique hybride à Skoltech.

Étant donné qu’un photon est la plus petite particule de lumière qui existe dans la nature, il n’y a vraiment pas beaucoup de place pour l’amélioration au-delà de cela en ce qui concerne la consommation d’énergie. La plupart des transistors électriques modernes nécessitent des dizaines de fois plus d’énergie pour commuter, et ceux qui utilisent des électrons uniques pour obtenir des efficacités comparables sont beaucoup plus lents.

Outre les problèmes de performances, les transistors électroniques à économie d’énergie concurrents ont également tendance à nécessiter un équipement de refroidissement encombrant, qui à son tour consomme de l’énergie et influe sur les coûts d’exploitation. Le nouvel interrupteur fonctionne commodément à température ambiante et contourne donc tous ces problèmes.

En plus de sa fonction principale de type transistor, le commutateur pourrait agir comme un composant qui relie les appareils en faisant la navette entre eux sous forme de signaux optiques. Il peut également servir d’amplificateur, multipliant l’intensité d’un faisceau laser entrant jusqu’à 23 000.

Comment ça fonctionne

L'appareil s'appuie sur deux lasers pour régler son état sur « 0 » ou « 1 » et pour basculer entre eux. Un faisceau laser de contrôle très faible est utilisé pour activer ou désactiver un autre faisceau laser plus lumineux. Il ne prend que quelques photons dans le faisceau de contrôle, d'où la grande efficacité de l'appareil.

La commutation se produit à l'intérieur d'une microcavité - un polymère semi-conducteur organique mince de 35 nanomètres pris en sandwich entre des structures inorganiques hautement réfléchissantes. La microcavité est construite de manière à garder la lumière entrante piégée à l'intérieur le plus longtemps possible pour favoriser son couplage avec le matériau de la cavité.

Ce couplage lumière-matière constitue la base du nouveau dispositif. Lorsque les photons se couplent fortement à des paires électron-trou liées - alias excitons - dans le matériau de la cavité, cela donne naissance à des entités à courte durée de vie appelées excitons-polaritons, qui sont une sorte de quasi-particules au cœur du fonctionnement du commutateur.

Lorsque le laser de pompe - le plus brillant des deux - brille sur l'interrupteur, cela crée des milliers de quasiparticules identiques au même endroit, formant ce que l'on appelle le condensat de Bose-Einstein, qui code les états logiques « 0 » et « 1 » de le dispositif.

Pour basculer entre les deux niveaux de l'appareil, l'équipe a utilisé une impulsion laser de contrôle en envoyant le condensat peu de temps avant l'arrivée de l'impulsion laser de pompe. En conséquence, il stimule la conversion d'énergie du laser de pompe, augmentant la quantité de quasi-particules dans le condensat. La quantité élevée de particules qu'il contient correspond à l'état « 1 » de l'appareil.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs réglages pour garantir une faible consommation d'énergie : Premièrement, une commutation efficace a été facilitée par les vibrations des molécules du polymère semi-conducteur. L'astuce consistait à faire correspondre l'écart énergétique entre les états pompés et l'état de condensat à l'énergie d'une vibration moléculaire particulière dans le polymère. Deuxièmement, l'équipe a réussi à trouver la longueur d'onde optimale pour régler son laser et a mis en place un nouveau schéma de mesure permettant la détection de condensat en une seule fois. Troisièmement, le laser de contrôle d'ensemencement du condensat et son schéma de détection ont été appariés de manière à supprimer le bruit de l'émission « de fond » de l'appareil. Ces mesures maximisaient le niveau signal sur bruit du dispositif et empêchaient un excès d'énergie d'être absorbé par la microcavité, qui ne servirait qu'à la réchauffer par vibrations moléculaires.

« Il nous reste encore du travail à faire pour réduire la consommation électrique globale de notre appareil, qui est actuellement dominée par le laser à pompe qui maintient l’interrupteur allumé. Une voie vers cet objectif pourrait être des matériaux supercristaux pérovskites comme ceux que nous explorons avec des collaborateurs. Ils se sont avérés d’excellents candidats compte tenu de leur fort couplage lumière-matière qui à son tour conduit à une puissante réponse quantique collective sous forme de superfluorescence », commente l’équipe.

Dans l’ensemble, les chercheurs voient leur nouveau commutateur comme un élément de la boîte à outils croissante de composants tout optiques qu’ils ont assemblés au cours des dernières années. Entre autres choses, il comprend un guide d’ondes en silicium à faible perte pour faire aller et venir les signaux optiques entre les transistors. Le développement de ces composants nous rapproche de plus en plus des ordinateurs optiques qui manipuleraient des photons au lieu d’électrons, ce qui se traduirait par des performances largement supérieures et une consommation d’énergie inférieure. La recherche à Skoltech a été soutenue par la Russian Science Foundation (RSF).