Non-volatile integrated photonics on lithium tantalate-on-insulator

تخيل عالماً لا تكتفي فيه حاسوبك بالتفكير بشكل أسرع، بل تفكر بشكل "أخف". فبدلاً من استخدام الكهرباء لتحريك بتات البيانات مثل السيارات على الطريق السريع، يقوم العلماء ببناء "دوائر ضوئية" تستخدم حزم الضوء. الضوء سريع للغاية ولا يولد حرارة بقدر ما تولدها الكهرباء، مما يجعله مثالياً للجيل القادم من الحواسيب الفائقة. ومع ذلك، هناك عقبة: لكي تجعل هذه الدوائر الضوئية تقوم بأشياء مفيدة، مثل تغيير الإشارات أو الألوان، نحتاج عادةً إلى دفعها باستمرار بالكهرباء أو الحرارة. الأمر يشبه محاولة إبقاء الأرجوحة تتحرك عبر دفعها باستمرار؛ إذا توقفت عن الدفع، ستتوقف الأرجوحة. هذا "الدفع" المستمر يستهلك الكثير من الطاقة ويولد حرارة، وهي مشكلة كبيرة إذا كنت تريد حشد ملايين من هذه المفاتيح على شريحة صغيرة. لقد بحث العلماء عن طريقة لـ "ضبط" مسار الضوء وجعله يبقى هناك دون الحاجة إلى مصدر طاقة مستمر، تماماً مثل مفتاح الضوء الذي يبقى في وضع "التشغيل" حتى بعد أن تترك المقبض.

هنا يأتي دور دراسة جديدة، تقدم خدعة ذكية باستخدام بلورة خاصة تسمى "تانتالات الليثيوم". اكتشف الباحثون طريقة لـ "كتابة" مسار جديد للضوء بشكل دائم داخل هذه البلورة، وبمجرد كتابته، يبقى الضوء على هذا المسار دون الحاجة إلى أي طاقة إضافية للحفاظ عليه. إنهم يسمون هذا "الضوئيات غير المتطايرة". فكر في الأمر كأنك تكتب بقلم خاص على قطعة من الزجاج: تكتب رسالة، وحتى لو أخذت القلم بعيداً، تظل الرسالة مرئية للأبد حتى تقرر مسحها بالحرارة. ومن خلال الجمع بين هذه القدرة على "الكتابة الدائمة" والقدرة على تبديل الضوء تشغيل وإيقافاً بسرعات البرق، أنشأ الفريق نوعاً جديداً من الرقائق التي تتميز بالسرعة الفائقة وكفاءة الطاقة في آن واحد. لقد اختبروا ذلك ببناء جهاز يمكنه رصد حواف الصور (مثل إيجاد الخط الخارلي لقطة في صورة)، ووجدوا أنه يمكنه القيام بالمهمة باستخدام طاقة شبه معدومة للحفاظ على إعداداته، مع الاستمرار في معالجة البيانات بسرعات قد تجعل الحاسوب العادي يصاب بالدوار.

قصة "بلورة الذاكرة"

قرر الباحثون، بقيادة فريق من جامعة هوازونغ للعلوم والتكنولوجيا وجامعة شانغهاي جياو تونغ، معالجة مشكلة الطاقة باستخدام مادة تسمى تانتالات الليثيوم على العازل (LTOI). يمكنك التفكير في هذه المادة كشريحة رقيقة جداً من بلورة خاصة موضوعة فوق طبقة من الزجاج. داخل هذه البلورة، توجد مفاتيح ذرية صغيرة تسمى "المجالات الكهرومغناطيسية الحديدية". عادةً، لتغيير كيفية حركة الضوء عبر البلورة، يجب عليك الاستمرار في تطبيق جهد كهربائي، وهو أمر يشبه الضغط بإصبعك على جرس الباب لإبقاء الصوت مستمراً.

كان الاختراق الكبير للفريق هو اكتشاف كيفية "قلب" هذه المفاتيح الذرية وجعلها تبقى مقلوبة. لقد استخدموا مفهوماً يسمى نموذج ثنائي العيب. تخيل أن البلورة هي ساحة رقص مزدحمة. الراقصون (الذرات) لديهم اتجاه طبيعي يواجهونه، ولكن هناك أيضاً بعض "الأخطاء" أو الراقصين المفقودين (العيوب) التي تخلق مجالاً مغناطيسياً صغيراً غير مرئي. عندما طبق الباحثون نبضة جهد قوية، أجبروا الراقصين على الالتفاف. ومع ذلك، ولأن "الأخطاء" عالقة في مكانها ولا يمكنها التحرك بسهل في درجة حرارة الغرفة، فقد استمرت في سحب الراقصين للعودة إلى اتجاههم الأصلي. خلق هذا ترتيباً جديداً ومستقراً حيث ظل الراقصون ملتفين، لكن مجال "الخطأ" ظل موجوداً. هذا الترتيب الجديد غير كيفية انتقال الضوء عبر البلورة، والأهم من ذلك، أنه ظل كما هو حتى بعد إيقاف تشغيل الجهد الكهربائي. إنه يشبه دفع صخرة ثقيلة إلى أعلى تلة ثم جعلها تستقر في منخفض صغير في الأعلى؛ لن تعود للأسفل إلا إذا أعطيتها دفعة كبيرة (حرارة) لإخراجها من المنخفض.

النتائج: سريعة، منخفضة الفقد، ودائمة

لم يكتفِ الفريق بالنظرية فقط؛ بل بنوا هذا الشيء واختبروه بنتائج مثيرة للإعجاب.

أولاً، تحققوا من مدى جودة انتقال الضوء عبر رقائق البلورات الجديدة الخاصة بهم. وجدوا أن الضوء فقد القليل جداً من الطاقة أثناء حركته، بفقد قدره حوالي 0.05–0.06 ديسيبل/سم. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أنه يمكنك بناء دوائر طويلة ومعقدة للغاية على الشريحة دون أن تتلاشى الإشارة.

بعد ذلك، اختبروا جزء "الذاكرة". قاموا ببرمجة الشريحة لتغيير طور الضوء (وهو ما يشبه تغيير توقيت الموجة) إلى مستويات مختلفة. وجدوا أنه يمكنهم ضبط 137 موضعاً مختلفاً عبر دائرة كاملة من الطور ($\pi$)، بدقة عالية جداً لدرجة أنها تشبه تقسيم الدائرة إلى شرائح صغيرة تبلغ 0.007$\pi$. والأفضل من ذلك، أنهم كتبوا ومسحوا هذه الإعدادات لأكثر من مليون دورة ($10^6$)، وظلت الشريحة تتذكر الإعدادات بدقة. لم تتلاشَ الحالات المبرمجة بمرور الوقت؛ بل ظلت ثابتة لمدة أسبوع على الأقل، ولم تحتج الشريحة إلى أي كهرباء للحفاظ عليها هناك.

ثم، جمعوا بين هذه "الذاكرة" والتبديل عالي السرعة. قاموا ببناء معدل (جهاز يحول الضوء تشغيل وإيقاف لنقل البيانات) يمكنه التبديل بسرعات تزيد عن 110 جيجاهرتز. عادةً، للحفاظ على عمل هذه المعدلات بشكل صحيح، تحتاج إلى تعديلها باستمرار بالكهرباء لمنع انحرافها. ولكن لأن هذه الشريحة الجديدة يمكنها "تذكر" إعدادها الصحيح، تمكنوا من ضبطها مرة واحدة ثم تركها تعمل بسرعات عالية مع صفر من الطاقة الساكنة (لا طاقة مطلوبة للحفاظ على الإعداد). استخدموا هذا لإنشاء معدل يمكنه التعامل مع معدلات بيانات تصل إلى 400 جيجابت/ثانية وتعزيز "نسبة الإخماد" (مدى قدرته على إطفاء الضوء تماماً) لتصل إلى 59.3 ديسيبل هائلة. هذا يشبه إغلاق مفتاح الضوء بفعالية تجعل حالة "الإيقاف" أهدأ بمقدار 59 ديسيبل من حالة "التشغيل"، مما يجعلها واضحة للغاية.

الختام الكبير: شريحة كشف حواف الصور

لإظهار مدى فائدة هذا في العالم الحقيقي، بنى الفريق "دماغاً" صغيراً للحاسوب يمكنه رصد الحواف في الصور. تخيل أن لديك صورة لقطة، وتريد من الحاسوب رسم خط حول الخط الخارجي للقطة. يسمى هذا "كشف الحواف".

لقد بنوا شريحة حيث كُتبت "القواعد" لرصد الحافة داخل البلورة باستخدام طريقتهم غير المتطايرة. وبمجرد كتابتها، ظلت تلك القواعد موجودة دون الحاجة إلى أي طاقة. ثم قاموا بتغذية الشريحة ببيانات فيديو في الوقت الفعلي. عالجت الشريحة الصورة بسرعة 10 جي بكسل/ثانية (10 مليارات بكسل في الثانية) في تجربتهم. النتيجة؟ حددت الحواف بدقة 100%.

الجزء الأكثر إثارة هو كفاءة الطاقة. نظرًا لأن الشريحة لم تكن بحاجة إلى حرق الطاقة للحفاظ على إعداداتها، فقد حققت كفاءة طاقة بلغت 3.48 TOPS W$^{-1}$ (تيرا عملية في الثانية لكل واط). لو استخدموا الطريقة القدة المستهلكة للطاقة لتسخين الشريحة باستمرار للحفاظ على الإعدادات، لكانت الكفاءة قد انخفضت إلى 0.60 TOPS W$^{-1}$ فقط. كما توقع الفريق أنه إذا تمكنوا من جعل الشريحة تعمل بشكل أسرع (عند 200 جيجابت/ثانية)، فإن الكفاءة يمكن أن ترتفع بشكل هائل لتصل إلى 120.4 TOPS W$^{-1}$.

ماذا يعني هذا

تثبت هذه الورقة البحثية أنه يمكنك الحصول على أفضل ما في العالمين: شريحة ضوئية سريعة للغاية (أكثر من 110 جيجاهرتز) وتتميز بفقد منخفض جداً للإشارة، ولكنها أيضاً شريحة يمكنها "تذكر" إعداداتها دون إضاعة الطاقة. إنها خطوة مهمة للأمام لأن المحاولات السابقة لجعل "الذاكرة" في الشرائح الضوئية غالباً ما تضمنت مواد تمتص الكثير من الضوء أو لا يمكنها التبديل بسرعة كافية. ومن خلال استخدام تانتالات الليثيوم وفهم كيفية عمل العيوب الذرية الصغيرة، أنشأ الفريق منصة يمكن أن تؤدي في النهاية إلى حواسيب فائقة الكفاءة وعالية السرعة لأشياء مثل السيارات ذاتية القيادة، والروبوتات، والتصوير الطبي المتقدم، وكل ذلك دون الحرارة واستنزاف الطاقة الذي تعاني منه الإلكترونيات اليوم.