Gli attuali sistemi informatici rappresentano bit di informazione, gli 1 e gli 0 del codice binario, con l'elettricità. Elementi del circuito, come i transistor, operare su questi segnali elettrici, produrre output che dipendono dai loro input.

Veloci e potenti come sono diventati i computer, Ritesh Agarwal, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania, sa che potrebbero essere più potenti. Il campo dell'informatica fotonica mira a raggiungere questo obiettivo utilizzando la luce come mezzo.

La ricerca di Agarwal sul calcolo fotonico si è concentrata sulla ricerca della giusta combinazione e configurazione fisica di materiali in grado di amplificare e mescolare le onde luminose in modi analoghi ai componenti elettronici dei computer.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , lui e i suoi colleghi hanno compiuto un passo importante:controllare con precisione la miscelazione dei segnali ottici tramite campi elettrici su misura, e ottenere risultati con un contrasto quasi perfetto e rapporti on/off estremamente ampi. Queste proprietà sono fondamentali per la creazione di un transistor ottico funzionante.

"Attualmente, per calcolare '5+7, ' dobbiamo inviare un segnale elettrico per '5' e un segnale elettrico per '7, ' e il transistor esegue la miscelazione per produrre un segnale elettrico per '12, '", ha detto Agarwal. "Uno degli ostacoli nel fare questo con la luce è che i materiali che sono in grado di mescolare i segnali ottici tendono anche ad avere segnali di fondo molto forti. Quel segnale di fondo ridurrebbe drasticamente il contrasto e i rapporti on/off portando a errori nell'output".

Con i segnali di fondo che eliminano l'uscita prevista, qualità necessariamente computazionali per i transistor ottici, come il loro rapporto on/off, la forza di modulazione e il contrasto di missaggio del segnale sono stati tutti estremamente scarsi. I transistor elettrici hanno standard elevati per queste qualità per prevenire errori.

La ricerca di materiali che possono servire nei transistor ottici è complicata da requisiti di proprietà aggiuntivi. Solo i materiali "non lineari" sono in grado di questo tipo di miscelazione del segnale ottico.

Per affrontare questo problema, Il gruppo di ricerca di Agarwal ha iniziato trovando un sistema che non ha alcun segnale di fondo per iniziare:una "cintura" su nanoscala fatta di solfuro di cadmio. Quindi, applicando un campo elettrico attraverso la nanocintura, Agarwal e i suoi colleghi sono stati in grado di introdurre non linearità ottiche nel sistema che consentono un'uscita di miscelazione del segnale che altrimenti sarebbe zero.

"Il nostro sistema si accende da zero a valori estremamente grandi, e quindi ha un contrasto perfetto, così come grande modulazione e rapporti on/off, " ha detto Agarwal. "Pertanto, per la prima volta, abbiamo un dispositivo ottico con un'uscita che assomiglia davvero a un transistor elettronico."

Con uno dei componenti chiave che viene messo a fuoco, i prossimi passi verso un computer fotonico riguarderanno la loro integrazione con interconnessioni ottiche, modulatori, e rivelatori per dimostrare il calcolo effettivo.