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

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आपका कंप्यूटर केवल तेज़ ही नहीं, बल्कि 'हल्का' (lighter) भी सोचता है। डेटा के बिट्स को हाईवे पर कारों की तरह इधर-उधर ले जाने के लिए बिजली का उपयोग करने के बजाय, वैज्ञानिक "फोटोनिक सर्किट" बना रहे हैं जो प्रकाश की किरणों का उपयोग करते हैं। प्रकाश अविश्वसनीय रूप से तेज़ है और बिजली की तुलना में उतनी गर्मी पैदा नहीं करता है, जो इसे अगली पीढ़ी के सुपर-कंप्यूटरों के लिए एकदम सही बनाता है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: इन लाइट सर्किटों को उपयोगी काम करने के लिए, जैसे सिग्नल बदलने या रंग बदलने के लिए, हमें आमतौर पर उन्हें लगातार बिजली या गर्मी से धकेलने की आवश्यकता होती है। यह एक झूले को लगातार धक्का देने जैसा है; यदि आप धक्का देना बंद कर देते हैं, तो झूला रुक जाता है। यह निरंतर "धक्का" देने की प्रक्रिया बहुत अधिक ऊर्जा खर्च करती है और गर्मी पैदा करती है, जो एक बड़ी समस्या है यदि आप इन लाखों स्विचों को एक छोटे चिप पर पैक करना चाहते हैं। वैज्ञानिक एक ऐसा तरीका खोज रहे हैं जिससे वे प्रकाश के पथ को "सेट" कर सकें और वह बिना किसी निरंतर बिजली आपूर्ति के वहीं बना रहे, ठीक वैसे ही जैसे एक लाइट स्विच हैंडल छोड़ने के बाद भी "ऑन" स्थिति में रहता है।

यहीं पर एक नया अध्ययन आता है, जो लिथियम टेंटलेट (lithium tantalate) नामक एक विशेष क्रिस्टल का उपयोग करके एक चतुर तकनीक पेश करता है। शोधकर्ताओं ने इस क्रिस्टल के भीतर प्रकाश के लिए एक नया पथ स्थायी रूप से "लिखने" का एक तरीका खोजा है, और एक बार लिखे जाने के बाद, प्रकाश बिना किसी अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता के उसी पथ पर रहता है। वे इसे "नॉन-वोलेटाइल" (non-volatile) फोटोनिक्स कहते हैं। इसे कांच के टुकड़े पर एक विशेष पेन से संदेश लिखने जैसा समझें: आप एक संदेश लिखते हैं, और भले ही आप पेन हटा लें, संदेश हमेशा दिखाई देता रहता है जब तक कि आप उसे गर्मी से मिटाने का निर्णय न लें। इस "स्थायी लेखन" क्षमता को प्रकाश को बिजली की गति से चालू और बंद करने की क्षमता के साथ जोड़कर, टीम ने एक नया प्रकार का चिप बनाया जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ और ऊर्जा-कुशल है। उन्होंने इसे एक डिवाइस बनाकर परीक्षण किया जो छवियों के किनारों (जैसे फोटो में बिल्ली की रूपरेखा ढूंढना) को पहचान सकता है और पाया कि यह लगभग शून्य शक्ति का उपयोग करके अपना काम कर सकता है, जबकि डेटा को ऐसी गति से प्रोसेस करता है जो एक सामान्य कंप्यूटर को चक्कर आने पर मजबूर कर दे।

"मेमोरी क्रिस्टल" की कहानी

शोधकर्ताओं ने, जो हुअज़ोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी की एक टीम के नेतृत्व में थे, एक विशेष सामग्री जिसे लिथियम टेंटलेट-ऑन-इन्सुलेटर (LTOI) कहा जाता है, का उपयोग करके ऊर्जा की समस्या को हल करने का निर्णय लिया। आप इस सामग्री को कांच की एक परत पर बैठे एक विशेष क्रिस्टल के सुपर-थिन स्लाइस के रूप में समझ सकते हैं। इस क्रिस्टल के भीतर, परमाणु "स्विच" होते हैं जिन्हें फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन कहा जाता है। आमतौर पर, क्रिस्टल के माध्यम से प्रकाश के संचलन को बदलने के लिए, आपको लगातार वोल्टेज लगाना पड़ता है, जो कि डोरबेल को दबाकर रखने जैसा है ताकि आवाज़ आती रहे।

टीम की बड़ी सफलता इन परमाणु स्विचों को "पलटने" (flip) और उन्हें तय अवस्था में रखने का तरीका खोजने में थी। उन्होंने डिफेक्ट-डिपोल मॉडल (defect-dipole model) की अवधारणा का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि क्रिस्टल एक भीड़भाड़ वाला डांस फ्लोर है। नर्तक (परमाणु) एक स्वाभाविक दिशा में होते हैं, लेकिन कुछ "ग्लिच" या गायब नर्तक (दोष/defects) भी होते हैं जो एक छोटा, अदृश्य चुंबकीय-जैसा क्षेत्र बनाते हैं। जब शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली वोल्टेज पल्स लगाया, तो उन्होंने नर्तकों को मुड़ने के लिए मजबूर किया। हालाँकि, क्योंकि "ग्लिच" अपनी जगह पर स्थिर हैं और कमरे के तापमान पर आसानी से नहीं हिल सकते, वे नर्तकों को वापस उनकी मूल दिशा की ओर खींचते रहे। इसने एक नई, स्थिर व्यवस्था बनाई जहाँ नर्तक मुड़े हुए रहे, लेकिन "ग्लिच" क्षेत्र वैसा ही रहा। यह व्यवस्था प्रकाश के संचलन को बदल देती है, और महत्वपूर्ण रूप से, वोल्टेज बंद होने के बाद भी यह वैसी ही बनी रहती है। यह एक भारी पत्थर को पहाड़ी पर ऊपर धकेलने और फिर उसे ऊपर एक छोटे गड्ढे में फंस जाने जैसा है; वह वापस नीचे नहीं लुढ़केगा जब तक कि आप उसे उस गड्ढे से बाहर निकालने के लिए एक बड़ा धक्का (गर्मी) न दें।

परिणाम: तेज़, कम हानि वाला और स्थायी

टीम ने केवल सिद्धांत नहीं दिया; उन्होंने इसे बनाया और प्रभावशाली परिणामों के साथ परीक्षण किया।

सबसे पहले, उन्होंने जांचा कि उनके नए क्रिस्टल चिप्स के माध्यम से प्रकाश कितनी अच्छी तरह यात्रा करता है। उन्होंने पाया कि प्रकाश चलते समय बहुत कम ऊर्जा खो देता है, जिसकी हानि केवल लगभग 0.05–0.06 dB/cm थी। यह एक बहुत बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि आप चिप पर बहुत लंबे, जटिल सर्किट बना सकते हैं बिना सिग्नल के धुंधला हुए।

इसके बाद, उन्होंने "मेमोरी" वाले हिस्से का परीक्षण किया। उन्होंने चिप को प्रकाश के फेज (phase) को विभिन्न स्तरों तक बदलने के लिए प्रोग्राम किया (जो तरंग के समय को बदलने जैसा है)। उन्होंने पाया कि वे एक पूर्ण चक्र (एक $\pi$ रेंज) में 137 अलग-अलग स्थितियाँ सेट कर सकते हैं, जिसकी सटीकता इतनी सूक्ष्म है जैसे एक वृत्त को 0.007$\pi$ के छोटे टुकड़ों में विभाजित करना। इससे भी बेहतर, उन्होंने इन सेटिंग्स को 10 लाख बार ($10^6$ चक्रों) से अधिक बार लिखा और मिटाया, और चिप ने सेटिंग्स को पूरी तरह से याद रखा। प्रोग्राम की गई स्थितियाँ समय के साथ फीकी नहीं पड़ीं; वे कम से कम एक सप्ताह तक स्थिर रहीं, और चिप को उन्हें बनाए रखने के लिए किसी बिजली की आवश्यकता नहीं थी।

फिर, उन्होंने इस "मेमोरी" को हाई-स्पीड स्विचिंग के साथ जोड़ा। उन्होंने एक मॉड्यूलेटर (एक उपकरण जो डेटा ले जाने के लिए प्रकाश को चालू और बंद करता है) बनाया जो 110 GHz से अधिक की गति से स्विच कर सकता था। आमतौर पर, इन मॉड्यूलेटरों को सही ढंग से काम करने के लिए, आपको उन्हें बिजली से लगातार एडजस्ट करने की आवश्यकता होती है ताकि वे भटक न जाएं। लेकिन चूंकि इस नए चिप में अपनी सही सेटिंग को "याद रखने" की क्षमता थी, वे इसे एक बार सेट कर सकते थे और फिर इसे बिना किसी स्टैटिक पावर (सेटिंग बनाए रखने के लिए कोई शक्ति नहीं) के उच्च गति पर चलने दे सकते थे। उन्होंने इसका उपयोग एक ऐसा मॉड्यूलेटर बनाने के लिए किया जो 400 Gbit/s की डेटा दर को संभाल सकता था और "एक्सटिंक्शन रेशियो" (प्रकाश को पूरी तरह से बंद करने की क्षमता) को 59.3 dB के विशाल स्तर तक बढ़ा सकता था। यह लाइट स्विच को इतने प्रभावी ढंग से घुमाने जैसा है कि "ऑफ" स्थिति "ऑन" स्थिति की तुलना में 59 डेसिबल शांत है, जिससे यह अविश्वसनीय रूप से स्पष्ट हो जाता है।

ग्रैंड फिनाले: एक इमेज-एज-डिटेक्शन चिप

यह दिखाने के लिए कि यह वास्तविक दुनिया में कितना उपयोगी हो सकता है, टीम ने एक कंप्यूटर के लिए एक छोटा "मस्तिष्क" बनाया जो छवियों में किनारों को पहचान सकता है। कल्पना कीजिए कि आपके पास बिल्ली की एक फोटो है, और आप चाहते हैं कि कंप्यूटर बिल्ली की रूपरेखा के चारों ओर एक रेखा खींचे। इसे "एज डिटेक्शन" (edge detection) कहा जाता है।

उन्होंने एक चिप बनाई जहाँ किनारों को पहचानने के "नियमों" को उनके नॉन-वोलेटाइल तरीके का उपयोग करके क्रिस्टल में लिखा गया था। एक बार लिखे जाने के बाद, ये नियम बिना किसी बिजली की आवश्यकता के वहीं रहे। फिर, उन्होंने चिप में रियल-टाइम वीडियो डेटा डाला। उनके प्रयोग में चिप ने 10 Gpixel/s (10 बिलियन पिक्सेल प्रति सेकंड) की गति से इमेज को प्रोसेस किया। परिणाम? इसने 100% सटीकता के साथ किनारों की पहचान की।

सबसे रोमांचक बात ऊर्जा दक्षता थी। क्योंकि चिप को अपनी सेटिंग्स बनाए रखने के लिए बिजली जलाने की आवश्यकता नहीं थी, इसलिए इसने 3.48 TOPS W$^{-1}$ (टेरा ऑपरेशंस प्रति सेकंड प्रति वाट) की ऊर्जा दक्षता प्राप्त की। यदि उन्होंने पुराने, बिजली की खपत करने वाले तरीके का उपयोग किया होता जिसमें सेटिंग्स बनाए रखने के लिए चिप को लगातार गर्म करना पड़ता, तो दक्षता गिरकर केवल 0.60 TOPS W$^{-1}$ रह जाती। टीम ने यह भी अनुमान लगाया कि यदि वे चिप को और भी तेज़ चला सकें (200 Gbit/s पर), तो दक्षता बढ़कर 120.4 TOPS W$^{-1}$ हो सकती है।

इसका क्या अर्थ है

यह पेपर साबित करता है कि आप दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ प्राप्त कर सकते हैं: एक फोटोनिक चिप जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ (110 GHz से अधिक) है और जिसमें सिग्नल की हानि बहुत कम है, लेकिन साथ ही एक ऐसा चिप भी जो बिना ऊर्जा बर्बाद किए अपनी सेटिंग्स को "याद" रख सकता है। यह एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि लाइट चिप्स में "मेमोरी" बनाने के पिछले प्रयास अक्सर ऐसी सामग्रियों का उपयोग करते थे जो बहुत अधिक प्रकाश सोख लेती थीं या पर्याप्त तेज़ी से स्विच नहीं कर पाती थीं। लिथियम टेंटलेट का उपयोग करके और सूक्ष्म परमाणु दोषों (atomic defects) को समझकर, टीम ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया जो अंततः सेल्फ-ड्राइविंग कारों, रोबोट्स और उन्नत मेडिकल इमेजिंग जैसी चीज़ों के लिए अत्यधिक कुशल, हाई-स्पीड कंप्यूटरों का नेतृत्व कर सकता है, और वह भी आज के इलेक्ट्रॉनिक्स की गर्मी और ऊर्जा की खपत के बिना।