Значительный шаг к созданию компьютеров будущего удалось сделать российским ученым совместно с зарубежными коллегами: они впервые смогли изучить внутреннюю структуру объемных фотонных кристаллов, которые считаются основой перспективной сверхбыстродействующей электроники. Понимание структуры позволит начать проектировать оптические компоненты вычислительной техники следующего поколения, в процессорах которой информацию будут нести не электроны, а фотоны. Ученые разных стран сейчас пытаются создать оптические компьютеры на смену нынешним полупроводниковым — но никому до сих пор не удавалось изучить структуру фотонных кристаллов, не разрушая их.

Быстродействие современных компьютеров ограничено физической природой полупроводниковых элементов, из которых они собраны. Считается, что прорыв в быстродействии могла бы совершить оптическая электроника, где вместо полупроводников будут использоваться фотонные кристаллы — структуры с периодически меняющимся показателем преломления. Их изучают во многих странах, но прорыв сумела сделать международная группа ученых из России, Германии и Нидерландов.

Как рассказал «Известиям» один из авторов работы, сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Беседин, научная группа применила к объемным фотонным кристаллам недавно разработанную методику под названием «птихография». Вещество подвергается воздействию рентгеновского излучения. Источником такого излучения послужил синхротрон центра исследований физики частиц DESY (Германия).

— Чтобы понять разницу в качестве обычного источника рентгеновских лучей и синхротрона, можно сравнить костер и светодиод. Первый светит в большом диапазоне частот и куда попало, второй — на строго определенной частоте и в заданном направлении, — объяснил Илья Беседин.

По его словам, исследователям удалось «увидеть насквозь» структуру объемного фотонного кристалла.

— Имея информацию о дефектах структуры, мы можем понять логику, по которой меняется направление движения светового луча, — рассказал ученый. — То есть можно попытаться собрать на основе фотонных кристаллов логические схемы. Правда, пока мы не умеем контролировать образование этих дефектов: можем только попытаться уменьшить его на макроуровне.

На следующем этапе работы планируется просвечивать фотонные кристаллы рентгеновским лазером. Это может дать еще более точную картину внутренней структуры, но здесь есть сложности.

— Лазерный луч мощнее, чем исходящий из синхротрона. А при увеличении мощности многократно возрастает вероятность разрушения исследуемой структуры. Птихография же позволяет изучать ее, не разрушая, — пояснил Илья Беседин.

Его слова подтвердил «Известиям» доцент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира МФТИ в Объединенном институте ядерных исследований Алексей Жемчугов.

— При изучении свойств фотонных кристаллов была великая трудность. Во время исследования структура разрушалась. Это как если руками трогать снежинку: представление о весе и форме получите, но снежинка растает. А группа из МИСиС и другие ученые сумели найти метод, который дает информацию о структуре фотонного кристалла без его разрушения.

Как рассказал «Известиям» доцент кафедры лазерной физики ФНИЦ «Кристаллографии и фотоники» Евгений Хайдуков, разработки оптических компьютеров на основе фотонных кристаллов ведутся, в том числе, в России. Однако для подобных систем пока не существует программного обеспечения.

— Программисты к этому не готовы, — заявил Евгений Хайдуков.

Результаты работы международной исследовательской группы опубликованы в международном журнале о биотехнологиях, биоматериалах и междисциплинарном инжиниринге Small.

По мнению научного сотрудника лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Андрея Вишневого, первые промышленные модели полностью оптических компьютеров будут созданы не раньше чем через тридцать лет. Однако уже к концу десятилетия, возможно, появятся вычислительные системы на основе гибридных технологий: логические элементы микропроцессоров останутся полупроводниковыми, но шины обмена данными получат оптическую основу.