NOILE CIPURI FURNIZEAZĂ DATE LA VITEZE DE ORDINUL TERABIȚILOR PE SECUNDĂ

Un nou studiu arată că materialele noi, cunoscute sub denumirea de izolatori topologici fotonici, ar putea ajuta, într-o bună zi, la trimiterea de date prin cipuri la viteze fără precedent, de un trilion de biți pe secundă.

Undele Terahertz se încadrează între undele optice și microundele din spectrul electromagnetic. Cu o frecvența cuprinsă între 0,1 și 10 terahertzi, undele terahertz ar putea fi cheia viitoarelor rețele wireless 6G. Cu acest tip de rețele, inginerii își propun să transmită date la viteze deordinul terabiților, respectivmiliarde de biți, pe secundă.

Astfel de viteze ar putea stimula foarte mult comunicarea dintre cipuri și inter-cipuri pentru a veni sprijinul inteligența artificială, precum și a tehnologiile bazate pe cloud, precum condusul autonom.

„Inteligența artificială și aplicațiile bazate pe cloud necesită un volum mare de date pentru a fi transmise unui dispozitiv conectat, cu viteză foarte mare și latență scăzută”, susțineRanjanSingh, cercetător în fotonică, din cadrul Universității Tehnologice Nanyang din Singapore și coautor al noii lucrări. „Luați, spre exemplu, un vehicul autonom care utilizează inteligența artificială pentru a lua decizii. Pentru a crește eficiența sarcinilor de luare a deciziilor, senzorii acesteiatrebuie să primească date de la vehiculele învecinate, la viteză foarte mare, pentru a efectua acțiunile în timp real.”

Tehnologiile ce folosesc undeterahertz convenționale sunt vulnerabile la defectele de fabricație și la pierderea considerabilă a semnalului în cazul îndoirii acestora. În prezent, cercetătorii au descoperit faptul că domeniul fotonic topologic poate ajuta la rezolvarea acestor probleme.

Topologia este ramura matematicii care explorează ce caracteristici ale formelor pot supraviețui deformării. Spreexemplu, un obiect în formă de gogoașă poate fi modificat, luând formaunei căni, gaura gogoșii având rol în formarea găurii din mânerul cănii, dar nu poate fi deformat într-o formă care nu are o gaură, fără ca elementul să nu se rupă.

În anul 2007, folosind idei din topologie, cercetătorii au dezvoltat primii izolatori topologici electronici. Electronii care călătoresc de-a lungul marginilor sau suprafețelor acestor materiale rezistă puternic la orice tulburări care le-ar putea împiedica deplasarea, atât cât o gogoașă ar putea rezista oricărei modificări care ar produce distrugerea găurii din interiorul acesteia.

Recent, oamenii de știință au proiectat izolatoare topologice fotonice, în care fotonii de lumină sunt, în mod similar, „protejați topologic”. Aceste materiale posedă variații periodice în structurile lor, care duc la trecerea anumitor lungimi de undă specifice printre ele, fără a se împrăștia sau a pierde, chiar și în jurul colțurilor și imperfecțiunilor.

O imagine de microscopie optică a cipului de siliciu. Linia punctată cu alb reprezintă interfața dintre cele două seturi diferite de găuri triunghiulare.

Lucrările anterioare ce vizau izolatoarele topologice fotonice s-au concentrat, în mare măsură, pe frecvențele de ordinul microundelor și cele optice. Acum, cercetătorii susțin faptulcă au obținut, pentru prima dată și în mod experimental, protecția topologică a undelor terahertz.

Oamenii de știință au fabricat un cip de siliciu,cu o grosime de 190 de microni și o măsura de 8 milimetri cu 26 de milimetri. Au perforat-o, cu rânduri de găuri triunghiulare, care au alternat ca mărime între 84,9 microni și 157,6 microni.Triunghiurile mai mici au fost orientate în direcția opusă față de cele mai mari. Aceste rânduri de găuri au fost aranjate sun formă de ciorchine, unde toate triunghiurile mai mari erau orientate fie în sus, fie în jos. Lumina care intra în acest cip,se deplasa protejat topologic, de-a lungul interfeței dintre diferitele seturi de găuri.

O demonstrație experimentală de transmisie video de înaltă calitate, tip 4K necomprimată folosind noul cip (dreapta). Videoclipul de înaltă calitate transmis este afișat pe monitorul din fundal. Transmițătorul de semnal terahertz este pe partea stângă; receptorul este pe partea dreapta.

În cadrul experimentelor, cercetătorii au descoperit faptul că undele terahertz, de asemenea, ar putea călători fără probleme, adică fără pierderi, chiar și atunci când sunt dirijate în jurul a 10 colțuri ascuțite, inclusiv cinci viraje de 120 de grade și cinci viraje de 60 de grade. Aceștia au obținut rate de transfer de date de 11 gigabiți pe secundă, la o frecvență de 0,335 terahertz, cu o rată de eroare mai mică de 1 din 100 miliarde. De asemenea, au arătat că pot transmite video 4K necomprimat, în timp real, prin cipul ce conținea 10 coturi ascuțite, cu o viteză de 6 gigabiți pe secundă.

Cercetările anterioare au obținut rate de transfer de date de 1,5 gigabiți pe secundă cu unde terahertz și cristale fotonice, fiind structuri care au caracteristici mai mici decât lungimile de undă ale luminii cu care sunt proiectate. Nu numai că izolatorul topologic fotonic din noua lucrare afișează rate mai mari de transfer de date, dar și cristalele fotonice tradiționale înregistrează pierderi uriașe de semnal la coturi, în timp ce, astfel de pierderi sunt neglijabile în cazul noilor materiale. „Acest lucru este important atunci când avem în vedere miniaturizarea dispozitivelor în proiectarea multiplexoarelor și a divizoarelor de pe cip, care necesită, în mod normal, îndoirea ghidurilor de undă”, declară Masayuki Fujita, coautor și cercetător în fotonică, în cadrul Universității Osaka din Japonia.

Cercetătorii au observatfaptul că există o serie de modalități de a stimula ratele de transfer de date pentru a atinge viteze de ordinul terabiților pe secundă, deși nu au demonstrat încă aceste rate într-un experiment. Aceste tehnici includ utilizarea frecvențelor mai mari, lățimea de bandă mai mare și scheme mai complexe de codificare a datelor.