Převrat v počítačích: Hybridní částice umožní světlu počítat a výrazně sníží spotřebu AI

Moderní výpočetní technika se téměř 80 let spoléhá na elektrony proudící obvody. Tento princip poháněl první elektronické stroje, jako byl ENIAC, a dodnes je základem chytrých telefonů, notebooků i rozsáhlých datových center pro umělou inteligenci.

Moderní výpočetní technika se téměř 80 let spoléhá na elektrony proudící obvody. Tento princip poháněl první elektronické stroje, jako byl ENIAC, a dodnes je základem chytrých telefonů, notebooků i rozsáhlých datových center pro umělou inteligenci. Umělá inteligence však nyní odhaluje zásadní slabinu elektronických výpočtů: elektrony generují teplo, ztrácejí energii a s rostoucí složitostí čipů je stále obtížnější je řídit. Trénování a provoz pokročilých modelů AI již nyní spotřebovávají obrovské množství elektřiny, což vyvolává obavy, že budoucí systémy se stanou příliš energeticky náročnými na efektivní provoz.

Vědci dlouho doufali, že tento problém by mohly vyřešit fotony. „Protože nemají elektrický náboj a nulovou klidovou hmotnost, mohou fotony přenášet informace rychle na dlouhé vzdálenosti s minimálními ztrátami, což dominuje komunikačním technologiím,“ uvedl Li He, asistent profesora na katedře fyziky Montana State University. Proto světlo již dominuje internetové komunikaci prostřednictvím optických kabelů. Fotony však mají jednu hlavní nevýhodu: „Téměř nereagují se svým okolím, což je činí nevhodnými pro logiku přepínání signálů, na které jsou počítače závislé,“ dodal He.

Nyní vědci z University of Pennsylvania tvrdí, že možná našli způsob, jak toto omezení obejít vytvořením zvláštní hybridní částice, která se chová současně jako světlo i hmota. Autoři studie se zaměřili na vytvoření kvazičástic zvaných exciton-polaritony. Nejedná se o běžné částice nalezené v přírodě, ale o hybridní stavy, které vznikají, když se fotony silně spojí s elektronickými excitacemi uvnitř materiálu. Pro představu si lze představit, že se fotony a hmota tak pevně propojí, že přestanou fungovat nezávisle a místo toho se chovají jako jedna kombinovaná entita. Vědci toho dosáhli pomocí atomárně tenkého monovrstevného polovodiče vloženého do nanometrové optické dutiny, navržené k zachycení a řízení světla.

Uvnitř zařízení fotony intenzivně interagovaly s excitony, což jsou vázané páry, které vznikají, když elektrony zanechají v polovodiči kladně nabité díry. Za správných podmínek se interakce stala extrémně silnou a produkovala exciton-polaritony, které zdědily vlastnosti z obou stran. Od fotonů získaly neuvěřitelnou rychlost a pohyb s nízkou spotřebou energie. Od hmoty získaly schopnost silně interagovat s jinými signály. „Tato nelineární odezva daleko přesahuje odezvu konvenčních nelineárních optických materiálů a poskytuje slibnou cestu k plně optickým výpočtům a fotonickému zpracování kvantových informací,“ poznamenávají autoři studie.

Exciton-polaritony samotné nejsou nové a jsou studovány již léta. Avšak dosažení silného nelineárního optického přepínání při extrémně nízkých energiích v kompaktní nanodutinové platformě zůstávalo velkou výzvou. Tradiční fotonické systémy se potýkají s problémy, protože fotony se za normálních okolností navzájem míjejí bez interakce. Zatímco to je ideální pro komunikaci, stává se to zásadní překážkou pro výpočty, zejména pro systémy AI, které vyžadují nelineární operace a rozhodovací kroky. Mnoho experimentálních fotonických AI čipů dnes stále potřebuje převádět optické signály zpět na elektronické, aby tyto úkoly provedly. Každá konverze systém zpomaluje a plýtvá energií. Nová platforma exciton-polaritonů se části tohoto problému vyhnula tím, že umožnila plně optické přepínání, kde jeden světelný signál přímo řídí druhý, aniž by se cokoli převádělo na elektřinu. Vědci demonstrovali přepínání v energetickém měřítku zhruba čtyř kvadriliontin joulu (4 femtojouly), což je mimořádně malé množství energie, které je daleko pod tím, co je potřeba k napájení i malé LED diody na krátkou dobu.