光子微晶片的設計意示圖(圖:雪梨大學)

科學家首次將光資訊轉換成聲波儲存在電腦晶片上,研究人員表示,這技術就如將閃電儲存成雷霆一樣。雖然這聽起來可能有點奇怪,但如果我們希望從目前效率較低的電子電腦,轉而使用以光速傳輸資料的「光學電腦」(light-based computers),這種轉變非常重要。

 

光學電腦

基於光或光子的電腦,可能比現行筆記型電腦的運行速度至少要快 20 倍,而且這種光學電腦不會像現有電腦一樣會產生熱量和耗損不必要的能量。這是因為理論上,光學電腦會以光子的形式處理資料,而不是電子。

只能說是理論上,因為即使像 IBM 或 Intel 這些資訊大廠都已投入光運算的研究,但是要建造光學電腦還是非常困難。

將訊息編碼成光子並不困難,當透過光纖傳遞資訊時就已經做到了這點。但是要找出一種方法讓電腦晶片能存取和處理儲存在光子中的訊息,卻非常困難,因為現有的微晶片無法讀取以光速運行的資料。

目前經由網際網路電纜傳輸的光訊息,要被轉換成速度較慢的電子,才能被微晶片讀取。但更好的方案是減弱光線並將其轉換成聲音,而這正是澳洲雪梨大學研究人員目前正在進行的研究。

雷霆和閃電

該研究的負責人雪梨大學研究員比吉特·斯蒂勒博士(Birgit Stiller)表示:「晶片內的聲音資訊,其傳輸速度比光速慢 5 個數量級。這種差異就像雷聲和閃電的分別。」因為光速比聲速快,因此打雷時,閃電會先於雷聲出現。

這表示電腦可以利用光傳輸資料的優點,高速、沒有電子電阻產生的熱量,也不會受到電磁輻射的干擾,但也能將資料傳輸速度減慢到足以讓電腦晶片運作。

團隊成員莫里茨·梅克萊因(Moritz Merklein)表示:「要將光學電腦用於商業用途,晶片上的光子資料需要減慢,這樣資料才能被處理、路由、儲存和存取。」

雪梨大學物理學教授班傑明·艾格爾頓博士(Benjamin Eggleton)進一步補充:「這是光學資料處理領域的重要一步,這個概念實現了目前和未來新一代光學通訊系統的所有需求。」

將光轉換為聲波

研究團隊開發一種在光子微晶片上準確傳輸光和聲波的儲存系統,這種晶片將會用於光學電腦。下方的影片將展示其運作原理:

首先,光子資料以光脈衝(黃)形式進入晶片,然後與「寫」脈衝(藍)互動,產生儲存資料的聲波。另一個稱為「讀」的光脈衝(藍),存取這個聲音資料,並再次發送(黃)。

雖然暢行無阻的光會以 2 至 3 奈秒(nanoseconds,1 奈秒等於十億分之一秒)的速度通過晶片,一旦被儲存為聲波,訊息可以在晶片上保存長達 10 奈秒,這樣的時間足以被存取和處理。

研究團隊將光轉換為聲波,不僅減慢了速度,而且使資料存取更加準確。而且,與以往研究不同的是,系統能在寬頻範圍內運作。

梅克萊因表示:「在晶片中建立聲音緩衝區,可以將訊息控制的能力提升幾個數量級。」斯蒂勒博士補充說:「與以往的系統不同的是,我們的系統不限於窄頻寬,這允許我們同時儲存和存取多個波長的資訊,大幅提高設備的效率。」

 

參考資料:

  1. University of Sydney, (September 2017). Storing lightning inside thunder: Researchers are turning optical data into readable soundwaves, Phys.org
  2. Merklein, M. et al, (2017). A chip-integrated coherent photonic-phononic memory, Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-017-00717-y
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