A nanociência está agora redefinindo como a luz pode ser controlada e processada no chip.
A ideia de computação com luz remonta a décadas, mas a eletrónica provou ser mais escalável, fiável e económica. Esse equilíbrio está agora a mudar. O rápido crescimento da inteligência synthetic (IA) tornou o consumo de energia um estrangulamento central na computação, uma vez que a movimentação de dados e a realização de álgebra linear em grande escala são agora responsáveis tanto pela utilização de energia como pelo custo do sistema. Conforme descrito em nosso recente Recurso de tecnologia por Neil Savage, as abordagens ópticas oferecem uma resposta convincente, realizando operações lineares massivamente paralelas e de alta largura de banda com dissipação de energia muito menor do que o {hardware} eletrônico.
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No entanto, traduzir esta promessa em sistemas práticos continua a ser um desafio. A computação óptica é limitada pela dificuldade de controlar, modular e acoplar a luz de forma confiável em escalas profundas de comprimento de onda e em grandes áreas. Aqui, materiais nanoestruturados, incluindo cristais fotônicos, interfaces plasmônicas, pontos quânticos e metassuperfícies, estão remodelando o que é possível, reduzindo as principais funções computacionais à nanoescala para integração no chip.
Os cristais fotônicos estão entre as contribuições mais maduras da nanofotônica. Inicialmente, seu desenvolvimento foi limitado pela dificuldade de fabricar estruturas periódicas com tamanhos de características comparáveis ou abaixo dos comprimentos de onda ópticos. Isso mudou no início dos anos 2000, quando os avanços na nanofabricação tornaram possível padronizar tais estruturas para controlar a propagação e a interferência da luz em nanoescala. Os cristais fotônicos atualmente não são a principal plataforma para a computação óptica, onde a indústria ainda favorece designs como interferômetros Mach-Zehnder e ressonadores de anel. Seu impacto industrial mais claro vem dos lasers emissores de superfície de cristal fotônico, lançados por empresas como Fotônica vetorialque produz feixes em um design compacto e plano, tornando-os mais fáceis de integrar em alta densidade e adequados como fontes de luz para futuros chips fotônicos.
A Plasmônica oferece uma rota complementar e mais agressiva para a miniaturização. Ao confinar os campos eletromagnéticos às interfaces metal-dielétricas, as nanoestruturas plasmônicas permitem a modulação óptica e a comutação de dezenas a centenas de nanômetros – ordens de magnitude menores do que outras alternativas baseadas em fotônica. Como destacado no Recurso de tecnologiatal confinamento permite modulação eletro-óptica ultrarrápida além dos limites dos dispositivos tradicionais de silício. Os desafios centrais agora são práticos: perda óptica, geração de calor em interfaces metálicas e variabilidade de dispositivo para dispositivo quando fabricado em escala de wafer. Se a plasmônica será capaz de suportar redes neurais ópticas densas dependerá menos de novas descobertas fundamentais do que de enfrentar esses desafios de engenharia.
Os pontos quânticos e outros materiais confinados quânticos acrescentam uma vantagem diferente, mas prática, à computação óptica: fontes de luz compactas e eficientes e meios de ganho que podem ser diretamente integrados ao silício. O seu impacto mais imediato é observado nas interconexões ópticas, onde os esforços da indústria, como os da Quintessênciaestão avançando em plataformas laser de pontos quânticos para interconexões de information facilities e computação acelerada1. Além disso, os pontos quânticos podem mediar não-linearidades ópticas fortes e controláveis, adequadas para processamento de informações potencialmente no nível de fóton único, apontando para um papel mais amplo nos futuros sistemas de computação óptica e quântica.2.
Talvez a tecnologia mais radical habilitada para a nanociência seja encontrada nas metassuperfícies, onde a computação é parcialmente codificada no próprio dispositivo. Matrizes de ressonadores de comprimento de onda podem ser projetadas para realizar transformações matemáticas à medida que a luz se propaga através deles. Este conceito está avançando rapidamente em direção à realização de {hardware}. Por exemplo, Neurofos está desenvolvendo moduladores ópticos baseados em metassuperfícies que são 10.000 vezes menores que os padrão usados em fotônica de silício, visando a multiplicação de matrizes ópticas. Como mostram as demonstrações emergentes de redes neurais ópticas, essas metassuperfícies podem substituir volumosas ópticas de espaço livre por elementos em escala de chip, reduzindo a complexidade do sistema e melhorando a eficiência energética3.
Mas a nanociência faz mais do que reduzir dispositivos – ela introduz novas modalidades de computação. Uma classe crescente de nanomateriais, incluindo materiais de mudança de fase, meios magneto-ópticos e sistemas ferroicos, traz memória, sintonizabilidade e não volatilidade diretamente para o domínio óptico. Entre estes, materiais de mudança de fase como Ge – Sb – Te e Ge – Sb – Se – Te, já utilizados comercialmente em memória eletrônica, estão agora sendo adaptados para aplicações fotônicas, onde um pulso óptico ou elétrico curto pode mudar reversivelmente seu índice de refração e absorção óptica. Protótipos de pesquisa mostram que essas mudanças no estado do materials podem codificar pesos e aprender regras diretamente em circuitos fotônicos, sem depender de eletrônicos externos4.
Em última análise, a viabilidade da computação óptica depende não apenas de novos materiais e conceitos de dispositivos, mas também de saber se eles podem ser produzidos de forma confiável em escala. Os avanços na nanofabricação estão, portanto, tornando-se tão importantes quanto os avanços na física subjacente. Essa transição ecoa a história dos isoladores de silício (SOI) no início da década de 1990, onde a invenção da ligação de wafer de corte iônico por meio do processo Sensible-Reduce transformou o SOI de um conceito de laboratório em uma plataforma fabricada em massa.5. Demonstrações recentes de tantalato de lítio em circuitos fotônicos isolantes sugerem uma trajetória semelhante6.
Como o Recurso de tecnologia deixa claro que a computação óptica não substituirá a computação CMOS, mas aumentará os sistemas eletrônicos onde a eficiência energética e a largura de banda são um fator limitante. No Nanotecnologia da Naturezaacreditamos que esta heterogeneidade é uma clara oportunidade para colocar a descoberta de materiais, a estruturação em nanoescala, a nanofabricação e a integração híbrida fotônico-eletrônica no centro da próxima fase da computação.