Japonští vědci sestrojili optickou součástku o velikosti pouhých 320 mikrometrů, což je něco málo přes tři desetiny milimetru, která dokazuje, jak záměrné zpomalení světla uvnitř mikroskopické struktury může vést k mimořádně rychlému přenosu dat. Tato práce, publikovaná v časopise Nature Communications a vedená Keisukem Kawaharou, dosahuje rychlosti 200 gigabitů za sekundu a spotřebovává nepatrné množství energie na každý zpracovaný bit.
Myšlenka se zdá být protichůdná: pokud je cílem přenášet informace rychleji, proč by mělo světlo cestovat pomaleji? Odpověď spočívá v tom, co fyzici nazývají „pomalé světlo“. Když světelný paprsek prochází fotonickým krystalem, tedy strukturou z křemíku s mikroskopickými otvory uspořádanými do přesného vzoru, jeho skupinová rychlost se snižuje. Toto zpomalení prodlužuje dobu, po kterou signál interaguje s materiálem, což umožňuje jeho modulaci, tedy kódování dat do něj, s mnohem větší účinností.
Úzké hrdlo datových center
Abychom pochopili význam tohoto pokroku, je třeba se zaměřit na datová centra – velká výpočetní zařízení, která zajišťují vše od každodenního vyhledávání na internetu až po trénování modelů umělé inteligence. Tyto komplexy potřebují přenášet stále větší objemy informací mezi svými komponenty. Jsou-li čipy blízko u sebe, elektrická propojení plní svou funkci bez problémů. S rostoucí vzdáleností a požadovanou rychlostí však dochází ke zhoršení kvality elektrických signálů a k jejich zahřívání.
Optická vlákna řeší část tohoto problému, protože přenášejí informace pomocí světla s mnohem menšími ztrátami na dlouhé vzdálenosti. Digitální informace se však do vlákna nevkládají přímo: nejprve je třeba převést elektrické signály na světelné impulsy a data zakódovat modulací tohoto světla. Součástkou, která zajišťuje tento převod mezi elektronickým a fotonickým světem, je optický modulátor, a jeho zrychlení, zmenšení a snížení energetické náročnosti se stalo pro průmysl prioritou.
Ekvalizér k překonání limitů pomalého světla
Využití jevu pomalého světla nebylo nic nového, ale modulátory založené na tomto principu narážely na praktický problém: elektrický odpor zařízení omezoval jeho výkon při vysokých frekvencích. Japonský tým tuto překážku vyřešil zabudováním integrovaného elektrooptického ekvalizéru, což je pomocný obvod schopný kompenzovat pokles odezvy při vysokých frekvencích. Zařízení si tak zachovává výhody prodloužené interakce mezi světlem a materiálem, aniž by ztratilo schopnost pracovat při extrémních rychlostech.
Čísla, která dělají rozdíl
Při použití základního formátu kódování dosáhl modulátor rychlosti 140 gigabitů za sekundu při spotřebě pouhých 26 femtojoulů na bit. Jeden femtojoul odpovídá jedné biliontině joulu, což je téměř zanedbatelné množství energie. Při použití PAM-4, techniky, která kóduje informace pomocí čtyř různých úrovní intenzity signálu namísto obvyklých dvou, se rychlost zvýšila až na 180 gigabitů za sekundu bez nutnosti digitálního zpracování. S pomocí relativně jednoduché dodatečné elektronické ekvalizace se výzkumníkům podařilo dosáhnout rychlosti 200 gigabitů za sekundu.
Je vhodné převést tento údaj do srozumitelnějších jednotek. Bit je nejmenší jednotka informace, zatímco bajt sdružuje osm bitů. 200 gigabitů za sekundu tedy teoreticky odpovídá přibližně 25 gigabajtům za sekundu. Tímto tempem by se za pouhou jednu minutu dalo přenést přibližně 1,5 terabajtu dat. Jedná se však o rychlost, kterou modulátor prokázal za experimentálních podmínek; nesmí se zaměňovat s rychlostí, kterou by uživatel dosáhl při stahování souborů z internetu, protože celková rychlost připojení závisí na mnoha dalších faktorech.
Menší, účinnější a připravené k sériové výrobě
Autoři studie zdůrazňují, že jejich návrh zkracuje délku zařízení přibližně desetkrát a zvyšuje účinnost modulace asi stokrát ve srovnání s ekvivalentními konvenčními technologiemi. Dalším důležitým údajem je, že modulátor byl vyroben procesem kompatibilním s technologií CMOS, což je průmyslový standard používaný k výrobě drtivé většiny současných elektronických čipů. Tato kompatibilita připravuje půdu pro hromadnou výrobu.
Tento objev neslibuje, že se zítra znásobí rychlost domácího internetu. Jeho hodnota spočívá v něčem hlubším: potvrzuje, že dobře známý fyzikální jev v kombinaci s inteligentním návrhem umožňuje vytvářet kompaktnější, rychlejší a energeticky úspornější komponenty. V době, kdy rozvoj umělé inteligence vyžaduje nejen výkonnější procesory, ale také efektivnější způsoby přenosu dat, se schopnost zpomalit světlo paradoxně ukazuje jako jeden z klíčů k urychlení digitální budoucnosti.