Российские и зарубежные ученые разработали метод, позволяющий «поймать» сверхбыстрые гибридные частицы света, которые ранее считались неуловимыми.
Разработка в будущем позволит создавать оптические нейросетевые вычислители, способные переобучаться и функционировать в сотни раз быстрее, чем современная электроника, сообщает пресс-служба Университета ИТМО.
«Нейросети и задачи ИИ требуют значительных мощностей, а обычные процессоры расходуют на это слишком много энергии, превращая ее в тепло. Пока электроны движутся по проводам между транзисторами и памятью, нагревая чип в стандартных компьютерах, в нашем случае свет будет проходить через структуру за доли наносекунд и выполнять сложные вычисления с минимальными энергозатратами», — объяснил главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров.
Ученые объясняют, что предложенный ими метод позволяет обходить так называемый парадокс Клейна, открытый еще в 1929 году шведским физиком Оскаром Клейном. Он обнаружил в теоретических расчетах, что электроны и некоторые другие частицы-фермионы с очень низкой массой проходят через все барьеры путем квантового туннелирования, если движутся почти со скоростью света.
Долгое время этот парадокс оставался предметом теоретических обсуждений в ядерной физике, однако недавно ученые нашли его аналоги при исследовании свойств графена и других новых двумерных материалов, а также в разработке фотонных устройств. В последнем случае парадокс Клейна мешает удержанию световых сигналов в нужной точке, чтобы они не проходили через весь чип и успевали обрабатывать информацию.
Физики из ИТМО, МФТИ и ряда зарубежных стран выяснили, что данная проблема не характерна для экситон-поляритонов — комбинации электрона и «дырки», положительного заряда, а также электрона и фотона. Выяснилось, что эти гибридные частицы света могут игнорировать парадокс Клейна, если их сформировать внутри пленки из аналога природного минерала перовскита, поверхностная структура которой состоит из множества миниатюрных выступов и впадин.
Узор преобразует пленку из перовскита в метаповерхность — искусственную структуру, которая специфическим образом воздействует на свет, попадающий на нее от лазера, и заставляет его удерживать внутри себя гибридные частицы света. Таким образом, они ведут себя в очень широком диапазоне условий, что позволяет применять данный подход для удержания света внутри оптических чипов, способных выполнять сложные вычисления и осуществлять операции, необходимые для работы нейросетей. Это позволит в сотни раз ускорить эти расчеты и повысить их энергоэффективность, подытожили физики.
Фото: hi-tech.mail.ru