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

コンピュータが単に速く考えるだけでなく、より「軽く」考える世界を想像してみてください。データを高速道路を走る車のように電気を使って移動させる代わりに、科学者たちは光のビームを使用する「フォトニック回路」を構築しています。光は信じられないほど速く、電気ほど熱を発生させないため、次世代のスーパーコンピュータに最適です。しかし、一つ問題があります。これらの光回路に、信号を切り替えたり色を変えたりといった有用な働きをさせるには、通常、電気や熱で絶えず押し続ける必要があります。それは、ブランコを動かし続けるために、常に押し続けなければならないようなものです。押し続けている間は動きますが、押し終えるとブランコは止まってしまいます。この絶え間ない「押し」は、多くのエネルギーを消費し、熱を発生させます。これは、何百万ものスイッチを小さなチップ上に詰め込みたい場合には大きな問題となります。科学者たちは、光の経路を「設定」し、電力を供給し続けなくてもその状態を維持できる方法、つまり、ハンドルから手を離しても「オン」の状態を維持できるライトスイッチのような方法を探してきました。

ここで、新しい研究が登場します。それは、「タンタレートリチウム」という特別な結晶を用いた巧妙なトリックを紹介するものです。研究者たちは、この結晶の中に光の新しい経路を「書き込む」方法を発見しました。一度書き込まれると、光はその経路に留まり、そこを維持するための追加エネルギーを必要としません。彼らはこれを「非揮発性」フォトニクスと呼んでいます。これは、特殊なペンでガラスにメッセージを書くようなものです。メッセージを書いてペンを離しても、メッセージは消えることなく表示され続け、熱を使って消去しようとしない限り、ずっと残ります。この「永久的な書き込み」能力と、光を電光石火の速さでオン・オフにする能力を組み合わせることで、チームは極めて高速かつエネルギー効率の高い新しいタイプのチップを作り上げました。彼らは、画像の輪郭（写真の中の猫の輪郭を見つけるようなこと）を検知できるデバイスを構築してテストを行い、設定を維持するためにほとんど電力を消費することなく、通常のコンピュータが目が回るような速度でデータを処理できることを明らかにしました。

「メモリー結晶」の物語

華中科技大学と上海交通大学のチームに率いられた研究者たちは、タンタレートリチウム・オン・インシュレーター（LTOI）という材料を使用してエネルギー問題に取り組むことにしました。この材料は、特殊な結晶の非常に薄いスライスがガラスの層の上に載っているものだと考えることができます。この結晶の中には、強誘電ドメインと呼ばれる小さな原子の「スイッチ」が存在します。通常、この結晶内での光の動き方を変えるには、電圧をかけ続けなければなりません。これは、ドアベルの音を鳴らし続けるために、指でボタンを押し続けなければならないようなものです。

チームの大きな突破口は、これらの原子スイッチを「反転」させ、かつその反転した状態を「維持」させる方法を見出したことでした。彼らは「欠陥双極子モデル」という概念を用いました。結晶を混雑したダンスフロアだと想像してください。ダンサー（原子）には自然な向きがありますが、そこには「欠陥」や「踊り子の不在」といった、目に見えない微小な磁気のような場を生み出す「不具合」もあります。研究者が強力な電圧パルスを加えると、彼らはダンサーを強制的に回転させました。しかし、これらの「不具合」は固定されており、室温では容易に動かないため、ダンサーを元の方向へと引き戻そうとします。これにより、ダンサーは回転したままの状態になり、一方で「不具合」の場はそのまま残るという、新しい安定したバランスが生まれました。この新しい配置によって光の伝わり方が変化しましたが、決定的なのは、電圧を切った後でもその状態が維持されたことです。これは、重い岩を丘の上まで押し上げ、頂上の小さな窪みに引っかかるようなものです。大きな衝撃（熱）を与えてその窪みから出さない限り、岩は転がり落ちてきません。

結果：高速、低損失、そして恒久的

チームは単に理論を立てただけでなく、それを実際に構築し、素晴らしい結果とともにテストしました。

まず、彼らはこの新しい結晶チップ内を光がどれほどよく伝わるかをチェックしました。その結果、光が移動する際のエネルギー損失はわずか 0.05–0.06 dB/cm であることがわかりました。これは、信号が衰えることなく、チップ上に非常に長く複雑な回路を構築できることを意味するため、極めて重要な成果です。

次に、彼らは「メモリー」の部分をテストしました。彼らはチップに光の位相（波のタイミングをずらすこと）を異なるレベルへと変化させるようプログラムしました。その結果、全位相（$\pi$ の範囲）にわたって 137の異なる位置 を設定でき、その精度は円を 0.007$\pi$ という極小のスライスに分割できるほど微細でした。さらに優れたことに、これらの設定を 100万回以上（$10^6$ サイクル）書き込み・消去を行っても、チップは設定を完璧に記憶していました。プログラムされた状態は時間の経過とともに衰えることはなく、少なくとも1週間は安定して保持され、チップはそれらを維持するために電力を必要としませんでした。

その後、この「メモリー」を高速スイッチングと組み合わせました。彼らは、データを運ぶために光をオン・オフするデバイス（変調器）を構築し、110 GHz を超える速度でスイッチングできることを実証しました。通常、これらの変調器を正しく機能させるには、ドリフトを防ぐために電気で絶えず調整する必要があります。しかし、この新しいチップは正しい設定を「記憶」できるため、一度設定すれば、静的電力ゼロ（設定を保持するための電力不要）で高速動作させることができます。彼らはこれを用いて、データレート 400 Gbit/s を処理でき、さらに「消光比」（光をどれだけ完全にオフにできるか）を、なんと 59.3 dB という膨大な値まで高めることができる変調器を作成しました。これは、ライトスイッチを非常に効果的に切り、オフの状態がオンの状態よりも59デシベルも静かであるようなもので、驚くほど鮮明な制御を意味します。

大団円：画像エッジ検出チップ

これが現実世界でどのように役立つかを示すために、チームはコンピュータの小さな「脳」となる、画像の輪郭を検知できるチップを構築しました。例えば、猫の写真があり、コンピュータに猫の輪郭を描かせたいとします。これは「エッジ検出」と呼ばれます。

彼らは、エッジを検知するための「ルール」が、彼らの非揮発性手法を用いて結晶の中に書き込まれたチップを構築しました。一度書き込まれると、これらのルールは電力を必要とせずにそこに留まります。そして、彼らはリアルタイムのビデオデータをチップに送り込みました。実験において、チップは 10 Gpixel/s（毎秒100億ピクセル）の速度で画像を処理しました。結果はどうだったでしょうか？チップは 100%の精度 でエッジを特定しました。

最もエキサイティングな部分は、そのエネルギー効率です。チップが設定を維持するために電力を消費する必要がないため、3.48 TOPS W$^{-1}$（ワットあたりのテラ演算数）というエネルギー効率を達成しました。もし従来の、設定を維持するためにチップを加熱し続けるような電力を大量に消費する方法を用いていた場合、効率はわずか 0.60 TOPS W$^{-1}$ にまで低下していたでしょう。チームは、もしチップをさらに高速（200 Gbit/s）で動作させることができれば、効率は 120.4 TOPS W$^{-1}$ まで急上昇する可能性があると予測しました。

これが意味すること

この論文は、フォトニックチップが極めて高速（110 GHz以上）であり、信号損失も非常に低い一方で、エネルギーを浪費することなく設定を「記憶」できるという、両方の良いとこ取りが可能であることを証明しています。これは、従来の「メモリー」を持つ光チップへの試みが、光を吸収しすぎる材料を使用していたり、スイッチング速度が十分に速くなかったりしたことを考えると、重要な一歩です。タンタレートリチウムを使用し、微小な原子の欠陥がどのように機能するかを理解することで、チームは、今日の電子機器のような熱やエネルギー消費の問題を伴わずに、自動運転車、ロボット、高度な医療イメージングなどのための超効率的かつ高速なコンピュータへとつながるプラットフォームを創り出したのです。