علماء يبتكرون شريحة صغيرة تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء لمعالجة المعلومات

ابتكر الباحثون شريحة مدمجة تعالج المعلومات الكمومية المستندة إلى الضوء بدقة ملحوظة، مما يؤدي إلى تطوير الجيل التالي من التقنيات الضوئية والكمية.

ماذا لو تمكنت أجهزة الكمبيوتر من معالجة المعلومات باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء؟ الباحثون في جامعة موناش يقولون إنهم اتخذوا خطوة مهمة نحو هذا المستقبل من خلال شريحة جديدة صغيرة يمكنها توليد الإشارات الضوئية والتحكم فيها وقراءتها، كل ذلك في جهاز واحد.

يتمحور هذا الإنجاز حول مجال ناشئ يُعرف باسم “valleytronics”، والذي يهدف إلى تخزين ومعالجة المعلومات باستخدام الخصائص الكمومية داخل المواد المتقدمة. لقد نظر العلماء منذ فترة طويلة إلى هذه التكنولوجيا باعتبارها طريقًا محتملاً نحو حوسبة أسرع، واستخدام أقل للطاقة، وأنظمة اتصالات أكثر قوة. لكن أحد التحديات الرئيسية أعاق هذا المجال: لم ينجح أحد في دمج جميع الوظائف الرئيسية في منصة واحدة مدمجة.

يقول فريق موناش أنه قد حل هذه المشكلة الآن.

وفي دراسة نشرت في الضوئيات الطبيعة، أظهر الباحثون أ مقياس النانو دائرة قادرة على إنشاء إشارات ضوئية متخصصة، وتوجيهها بدقة، وتحويلها إلى إشارات كهربائية على نفس الشريحة. يستخدم الجهاز “درجة الحرية الوادي”، وهي خاصية كمومية موجودة في مواد معينة يمكنها تشفير المعلومات بطرق لا تستطيع الأجهزة الإلكترونية التقليدية القيام بها.

على عكس رقائق الكمبيوتر التقليدية التي تعتمد على تحريك الإلكترونات عبر الدوائر، تستخدم الأنظمة الضوئية الضوء لنقل البيانات. ونظرًا لأن الضوء يمكن أن ينتقل بشكل أسرع ويولد حرارة أقل، يعتقد الباحثون أن التقنيات الضوئية المستقبلية يمكن أن تحسن بشكل كبير سرعات المعالجة مع تقليل الطلب على الطاقة في مراكز البيانات وأنظمة الذكاء الاصطناعي وشبكات الاتصالات.

وقال المؤلف الرئيسي الدكتور تشي لي إن المنصة الجديدة تتغلب على عقبة رئيسية في أبحاث فاليترونيكس.

وقال الدكتور لي: «حتى الآن، يمكننا توليد هذه الإشارات أو اكتشافها، ولكن لا يمكننا القيام بكل شيء في جهاز واحد متكامل».

“ما قمنا ببنائه هو نظام كامل على الرقاقة يمكنه إنشاء هذه المعلومات وتوجيهها وقراءتها بدقة عالية جدًا.”

تتيح المواد فائقة الرقة إمكانيات جديدة

تجمع هذه التقنية بين مواد رقيقة جدًا لا يزيد سمكها عن بضع ذرات مع هياكل نانوية مُصممة هندسيًا تُعرف باسم الأسطح الخارقة، والتي يمكنها التعامل مع الضوء بمقاييس أصغر من عرض شعرة الإنسان.

أوضح المؤلف المشارك الأول، الدكتور كايجيان شينغ، أن الفريق استخدم طريقة التراص متعدد الطبقات لدمج هذه المواد دون الإضرار ببنيتها الدقيقة، وهي مشكلة أدت إلى تعقيد المحاولات السابقة لبناء أجهزة فاليترونيك عملية.

قال الدكتور شينغ: “نحن نستخدم نهجًا مباشرًا للتكديس لدمج المواد فائقة الرقة مع الأسطح المعدنية، والتغلب على التحديات التقنية المتمثلة في نمو المواد المباشر على الهياكل الضوئية، وتمكين المزيد من التقدم في مجال إلكترونيات الوادي”.

أحد أهم جوانب النظام هو أنه يعمل في درجة حرارة الغرفة. تتطلب العديد من التقنيات الكمية التجريبية بيئات شديدة البرودة لتعمل، وغالبًا ما تستخدم معدات تبريد معقدة ومكلفة. ومن خلال تجنب هذه الظروف، يصبح جهاز Monash أكثر عملية للتطبيقات في العالم الحقيقي.

تُظهر الشريحة أيضًا مستوى من التصغير يمكن أن يساعد التقنيات المستقبلية على الانتقال من مختبرات الأبحاث إلى الأجهزة التجارية.

لماذا تعتبر الحوسبة المبنية على الضوء مهمة؟

قال المؤلف الكبير الدكتور هاوران رين، زميل ARC Future وزعيم مجموعة Monash NanoMeta، إن البحث يمكن أن يساعد في تمكين جيل جديد من التقنيات الضوئية المدمجة والقابلة للبرمجة.

قال الدكتور رين: “هذه خطوة مهمة نحو تقنيات قابلة للتطوير تعتمد على الرقائق والتي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء لمعالجة المعلومات”.

“تستخدم الأجهزة الضوئية الضوء لتحقيق نطاقات ترددية هائلة، وسرعات نقل بيانات فائقة السرعة، واستهلاك أقل للطاقة، لذا فإن ما حققناه له إمكانات قوية للتطبيقات في الحوسبة الكموميةوالتصوير المتقدم وأنظمة الاتصالات البصرية من الجيل التالي.

ولإظهار قدرات الشريحة، قام الباحثون بتشفير ومعالجة صورتين منفصلتين في وقت واحد، مما يدل على أن النظام يمكنه إدارة تدفقات متعددة من المعلومات في نفس الوقت.

وقال البروفيسور ستيفان أ. ماير، رئيس كلية الفيزياء وعلم الفلك ومختبر الضوئيات النانوية في موناش، إن العمل يمثل خطوة مهمة نحو تحويل إلكترونيات الوادي إلى تكنولوجيا عملية.

وقال البروفيسور ماير: “هذه خطوة مهمة نحو أنظمة الوادي الإلكترونية المتكاملة تمامًا”. “من خلال الجمع بين المواد الخفيفة والكمية على شريحة، يمكننا الوصول إلى طرق جديدة لتشفير المعلومات ومعالجتها.”

المرجع: “دائرة نانوية إلكترونية ضوئية قابلة للبرمجة على الرقاقة” بقلم تشي لي، وكايجيان شينغ، ووينهاو تشاي، ولوكا سورتينو، وأندرياس تيتل، وإيجور أهارونوفيتش، ومايكل س. الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-026-01916-0

التمويل: مجلس البحوث الأسترالي

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.