In futuro, molto probabilmente molti computer saranno basati su circuiti elettronici costituiti da superconduttori. Si tratta di materiali attraverso i quali una corrente elettrica può fluire senza perdite di energia, potrebbero essere molto promettenti per lo sviluppo di supercomputer e computer quantistici ad alte prestazioni.

I ricercatori dell'Università della California Santa Barbara, della Raytheon BBN Technologies, dell'Università di Cagliari, della Microsoft Research e del Tokyo Institute of Technology hanno recentemente sviluppato un modulatore magneto-ottico, un dispositivo che controlla le proprietà di un raggio di luce attraverso un campo magnetico. Questo dispositivo, presentato in un documento pubblicato su Nature Electronics , potrebbe contribuire all'implementazione di elettronica e computer su larga scala basati su superconduttori.

"Stiamo lavorando a una nuova tecnologia in grado di velocizzare supercomputer ad alte prestazioni e computer quantistici basati sulla tecnologia dei superconduttori", ha detto a TechXplore Paolo Pintus, il ricercatore che ha guidato lo studio. "I superconduttori funzionano correttamente solo a basse temperature, generalmente appena sopra lo zero assoluto (-273,15° Celsius). Per questo motivo, i circuiti realizzati con questi materiali devono essere conservati all'interno di un frigorifero dedicato."

I circuiti realizzati con superconduttori sono in genere collegati all'ambiente esterno mediante cavi metallici. Questi cavi hanno una velocità di comunicazione limitata e possono trasferire calore in un circuito freddo.

Un'alternativa promettente sarebbe quella di utilizzare fibre ottiche, fili di vetro sottili e flessibili in grado di trasmettere segnali luminosi e attualmente utilizzati per portare dati Internet su lunghe distanze. Queste fibre offrono due vantaggi principali rispetto ai cavi metallici:possono trasmettere 1.000 volte più dati nello stesso periodo di tempo senza trasferire calore, poiché il vetro è un buon isolante termico.

"Come parte del nostro lavoro, abbiamo progettato e fabbricato un dispositivo (noto come 'modulatore ottico') che converte le informazioni trasportate da una corrente elettrica in un elettromagnete in luce", ha spiegato Pintus. "Questo grazie a un meccanismo fisico chiamato 'effetto magneto-ottico'. Questa luce può viaggiare attraverso una fibra ottica e trasportare informazioni fuori dall'ambiente freddo, senza alterare la funzionalità del circuito freddo."

I modulatori ottici come il dispositivo creato da Pintus e dai suoi colleghi consentono ai ricercatori di controllare le proprietà dei fasci di luce, in modo che possano trasferire informazioni sotto forma di segnali ottici. Questi modulatori hanno numerose potenziali applicazioni, ad esempio consentono la trasmissione di codici binari (uno e zero) su lunghe distanze.

Il modulatore magneto-ottico creato dai ricercatori utilizza una corrente elettrica per generare un campo magnetico. Questo campo magnetico a sua volta induce un cambiamento nelle proprietà ottiche di un granato sintetico in cui si propaga la luce.

"Il meccanismo alla base del nostro modulatore è analogo a quello di un chitarrista che cambia la rigidità delle corde per riprodurre un suono diverso", ha detto Pintus. "Nel nostro caso, il campo magnetico controlla la densità ottica del mezzo in cui viaggia la luce, in modo tale che quando la luce può propagarsi, otteniamo un "1" e quando la luce è attenuata, abbiamo uno "0". "

Nelle prime valutazioni, il modulatore magneto-ottico creato da Pintus e dai suoi colleghi ha ottenuto risultati molto promettenti. In particolare, ha raggiunto una velocità di modulazione relativamente elevata (pochi Gigabit al secondo) e potrebbe funzionare a temperature fino a 4 K (-269,15° Celsius).

"Questo è il componente chiave per consentire un'elevata velocità di trasferimento dati ad alta efficienza energetica da circuiti superconduttori, operanti all'interno di un criostato a bassa temperatura e temperatura ambiente", ha affermato Pintus. "Normalmente i modulatori ottici si basano su pochi effetti elettro-ottici, dove un campo elettrico modifica le proprietà ottiche del materiale su cui si propaga la luce. L'effetto magneto-ottico che abbiamo utilizzato, invece, è un doppio effetto , dove un campo magnetico cambia le proprietà ottiche di un mezzo."

Sebbene l'effetto magneto-ottico sia ben noto e ampiamente studiato, Pintus ei suoi colleghi sono stati tra i pochi a studiarne il potenziale valore per la creazione di modulatori. Quest'area non era stata esplorata molto prima perché la produzione di dispositivi magneto-ottici integrati e l'applicazione di campi magnetici variabili nel tempo veloce possono essere molto impegnativi. Inoltre, l'effetto magneto-ottico tende ad essere associato a tempi di risposta significativamente più lenti rispetto agli effetti elettro-ottici.

"La nostra è la prima prova del concetto di un modulatore ad alta velocità basato su un effetto magneto-ottico", ha detto Pintus. "Con questo modulatore, dimostriamo un elemento fondamentale per consentire una comunicazione efficace tra l'ambiente criogenico e l'elettronica a temperatura ambiente utilizzando fibre ottiche. Rispetto ai precedenti modulatori criogenici (elettro-ottici), la nostra soluzione proposta ha una struttura molto semplice ed è compatibile con circuiti superconduttori, poiché l'impedenza elettrica di ingresso è molto piccola."

Le prestazioni promettenti e la natura criogenica del modulatore dei ricercatori lo rendono adatto per collegare l'elettronica standard (a temperatura ambiente) con superconduttori criogenici e architettura di calcolo quantistico. In futuro, questo recente studio potrebbe aprire la strada a nuove ricerche incentrate sui materiali magneto-ottici per la modulazione ottica e sulle loro potenziali applicazioni informatiche.

"Nel nostro lavoro, abbiamo dimostrato una velocità di modulazione di 2 Gigabit al secondo con un consumo di energia inferiore a 4 picojoule per bit di informazioni trasferite, che potrebbe essere ridotta di 80 volte (inferiore a 50 femtojoule per bit) ottimizzando il processo di fabbricazione nello stesso sistema di materiali", ha aggiunto Pintus. "Sebbene queste prestazioni siano impressionanti, riteniamo che ci sia molto spazio per ulteriori miglioramenti. Nei nostri prossimi lavori, vorremmo esplorare altri materiali per ottenere una maggiore velocità di modulazione e un minor consumo energetico. Il campo del materiale magneto-ottico criogenico è un'area inesplorata e ci vorranno più indagini per restringere i materiali più promettenti". + Esplora ulteriormente

I ricercatori creano un dispositivo per ottimizzare le interazioni tra computer ultrafreddi e computer a temperatura ambiente

© 2022 Rete Science X