Все новости

Суперкомпьютер для майнинга криптовалют научил физиков управлять излучением в наномасштабах

Российские исследователи применили суперкомпьютер для помощи человечеству, вместо того чтобы обогатиться с его помощью.

Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) совместно с зарубежными коллегами впервые разработали трехмерную динамическую модель взаимодействия света с кремниевыми наночастицами. Она создана при помощи суперкомпьютера со специализированными графическими ускорителями. Выяснилось, что при воздействии мощного и короткого лазерного импульса симметрия частиц временно нарушается, а оптические свойства начинают резко различаться: у частиц разных размеров они становятся неодинаковыми. Подбирая размеры наночастиц, можно гибко управлять световым излучением в наномасштабах. Это значительно облегчит создание перспективных устройств для сверхбыстрой обработки информации. Соответствующая статья опубликована в Advanced Optical Materials.

Поскольку носители оптического сигнала (фотоны) двигаются со световой скоростью и намного быстрее электронов, оптическими сигналами можно передавать и обрабатывать информацию гораздо быстрее, чем электрическими. Но действительно быстрые устройства такого рода должны быть наноразмерными, а отработанных средств для сверхбыстрого управления светом в таком масштабе пока не было.

Один из самых лучших материалов для управляющих светом наночастиц — кремний. Он уже отлично освоен радиоэлектронной промышленностью, и из него проще всего было бы создавать быстрые модуляторы — устройства, изменяющие параметры несущего оптического сигнала в соответствии с изменениями передаваемого информационного сигнала в компьютерах будущего. Но, чтобы получить полноценные модуляторы, надо сперва в деталях понять, как именно кремниевые наночастицы взаимодействуют со светом в оптических системах передачи данных.

Для этого исследователи моделировали процессы, идущие в наночастицах кремния при попадании в них лазерных импульсов. Когда это происходит, в частице сразу высвобождается множество электронов — возникает область, насыщенная электронами и дырками, или электрон-дырочная плазма. При этом оптические свойства частицы резко меняются.

До сих пор считалось, что подобная плазма после лазерного обстрела распределяется по частице равномерно. Однако, согласно новому моделированию, электромагнитное поле, возникающее при взаимодействии импульса света с частицей, имеет более сложную структуру. Поэтому оптические свойства частицы изменяются неодинаково по всему ее объему.

Более того, выяснилось, что, меняя размер наночастицы, можно повлиять на ее оптические свойства после обстрела световым импульсом. Это (в теории) позволяет прогнозировать траекторию светового сигнала в системе наночастиц, что даст возможность сделать на их основе сложные устройства, разветвляющие световой сигнал или управляющие его пропусканием. Такие устройства станут оптическими аналогами современных транзисторов, управляющих пропусканием электронного сигнала.

Российский вклад в работу — аналитические методы для определения диапазона размеров и показателя преломления частиц. А вот французские коллеги предоставили суперкомпьютеры с мощными графическими ускорителями. Обычно на таких системах майнят биткойны и другие криптовалюты. Как шутливо отмечают сами российские ученые: «…мы решили обогатить человечество новым знанием, вместо того чтобы обогатиться самим. Тем более что тогда курс биткойна как раз начал падать».

Системы на основе кремниевых наночастиц могут стать базовым элементом для оптических компьютеров будущего. Сегодня вычисления ведутся на компьютерах с электронной элементной базой — транзисторами. Как уже отмечено выше, целиком оптические компьютеры (в теории) смогут заметно быстрее обрабатывать информацию в силу более высокой скорости перемещения фотонов.