Вчені з Monash University створили чіп що обробляє дані світлом

Сучасні комп’ютерні процесори рухають мільярди електронів через крихітні схеми — і з кожним роком цей підхід наближається до фізичних меж мініатюризації і енергоефективності. Одна з найперспективніших альтернатив — фотонні обчислення: обробка інформації за допомогою фотонів, часток світла, замість електронів. Фотони рухаються швидше, не генерують тепла і здатні переносити набагато більше інформації одночасно. Однак досі жодній команді не вдавалось реалізувати всі три ключові операції — генерацію, спрямування і зчитування світлових сигналів — на єдиному компактному пристрої. Тепер це зробили дослідники Університету Монаш (Австралія). Їхня стаття опублікована у журналі Nature Photonics (травень 2026 р.).

Що відомо коротко

• Провідний автор: д-р Чі Лі (Monash School of Physics and Astronomy); співавтор: д-р Кайцзянь Сін; старший автор: д-р Хаоран Жень (Monash NanoMeta Group, ARC Future Fellow); Nature Photonics, травень 2026 р.
• Міжнародна команда: Австралія, Китай, Сингапур, Німеччина, Японія.
• Перше в світі: повністю інтегрована система, що генерує, спрямовує і перетворює на електричний сигнал долинні (valley) світлові сигнали — на одному чіпі.
• Матеріал: надтонкі дихалькогеніди перехідних металів (TMD) — товщиною лише кілька атомів — поєднані з метаповерхнями (нанорозмірними структурами, що керують поширенням світла).
• Ключова перевага: пристрій працює за кімнатної температури — більшість квантових технологій потребує охолодження до близького до абсолютного нуля.
• Демонстрація: одночасна обробка двох різних зображень на одному пристрої.

Що таке валетроніка і чому вона важлива

Сучасна мікроелектроніка кодує інформацію у заряді електронів: 0 або 1. Квантова електроніка пропонує нові «ступені свободи» — додаткові властивості частинок, що можна використовувати для кодування даних. Один з таких ступенів — спін (квантовий момент імпульсу), основа спінтроніки. Інший — долинний ступінь свободи (valley degree of freedom), основа валетроніки (valleytronics).

У деяких кристалічних матеріалах електрони можуть займати два різних долинних стани в зонній структурі: умовно «долина K» і «долина K’». Ці стани є квантовими й відрізняються між собою так само, як спін «вгору» і «вниз». У дихалькогенідах перехідних металів (TMD), таких як MoS₂ або WSe₂, кожен долинний стан пов’язаний із певним видом поляризованого світла: ліво- або правоциркулярно поляризованим фотоном. Це дозволяє записувати і зчитувати долинну інформацію за допомогою світла.

«Що ми побудували — це повна система на чіпі, яка може створювати, маршрутизувати і зчитувати цю інформацію з дуже високою точністю», — сказав д-р Лі.

Три функції на одному чіпі: чому це революція

До цього відкриття вчені могли реалізовувати кожну з трьох функцій окремо — або генерувати долинні сигнали, або виявляти їх. Але поєднати всі три в єдиному компактному пристрої не вдавалось. Саме це і було ключовим вузьким місцем у розвитку валетроніки.

«До цього ми могли генерувати або виявляти ці сигнали, але не робити все це в одному інтегрованому пристрої», — пояснив д-р Лі.

Команда вирішила цю проблему за допомогою методу укладання: надтонкі TMD-матеріали просто вкладаються поверх нанорозмірних метаповерхонь, уникаючи складного прямого вирощування матеріалів на фотонних структурах. «Ми застосовуємо простий метод укладання для інтеграції надтонких матеріалів із метаповерхнями, долаючи технічні труднощі прямого вирощування матеріалів на фотонних структурах», — зазначив д-р Сін.

Метаповерхні виконують роль «фотонних доріг»: вони визначають, куди і як поширюється долинне світло на чіпі. Результат — замкнена система, де інформація кодується у долинному стані фотону, доставляється до потрібної точки і там зчитується.

Кімнатна температура: чому це принципово

Переважна більшість квантових технологій — від надпровідникових кубітів до деяких фотонних процесорів — потребує охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля (–273°C). Це вимагає громіздкого кріогенного обладнання, величезних енергетичних витрат і унеможливлює практичне масштабування.

Новий пристрій Monash працює за кімнатної температури — що робить його несумісно практичнішим для реального застосування. Це одна з ключових переваг TMD-матеріалів: їхні долинні властивості зберігаються навіть за звичайних умов.

«Це важливий крок до масштабованих чіп-технологій, що використовують світло замість електрики для обробки інформації», — сказав д-р Жень. «Це має великий потенціал для застосувань у квантових обчисленнях, розширеній візуалізації і системах оптичного зв’язку наступного покоління».

Паралельна обробка: два зображення одночасно

Щоб продемонструвати практичні можливості пристрою, команда одночасно закодувала і обробила два різні зображення на одному чіпі. Це наочно показує ключову перевагу фотонної обробки: здатність до паралельного мультиплексування — одночасного передавання кількох потоків інформації через один фізичний канал.

Саме цього не може ефективно робити традиційна електроніка: електрони «займають» провідник, тоді як фотони різних довжин хвиль або поляризацій можуть вільно співіснувати в одному хвилеводі, не заважаючи один одному. «Поєднуючи світло і квантові матеріали на чіпі, ми можемо отримати доступ до нових способів кодування та обробки інформації», — підкреслив проф. Стефан Майєр.

Цікаві факти

Дихалькогеніди перехідних металів (TMD) — матеріали типу MoS₂, WS₂, WSe₂ — є 2D-матеріалами на зразок графену: один або кілька шарів атомів. При стоншенні до моношару вони набувають прямої забороненої зони і стають ефективними світловипромінювачами. Саме тоді й виявляється зв’язок між долинним станом і поляризацією світла.

Фотони vs електрони: фотон у скловолокні рухається зі швидкістю ~200 000 км/с. Електрон у провіднику дрейфує зі швидкістю кількох міліметрів за секунду — хоча електричний сигнал поширюється значно швидше. Цей фундаментальний розрив у швидкості пояснює, чому фотонні обчислення вважаються майбутнім комп’ютерних технологій.

Споживання енергії ШІ — одна з найгостріших проблем сучасної технологічної індустрії. Великі дата-центри, що обслуговують моделі на кшталт GPT-4, споживають стільки електроенергії, скільки невеликі міста. Фотонні чіпи обіцяють радикально знизити це споживання: фотони не виділяють тепла при обробці сигналів, а паралельна обробка підвищує ефективність на порядки.

Метаповерхні — нанорозмірні структури (зазвичай масиви стовпців або отворів розміром менше довжини хвилі світла), що управляють фазою, амплітудою і поляризацією світла. Вони є «фотонним аналогом» транзисторних схем — лише для фотонів замість електронів.

Вперше у демонстрації паралельна обробка двох зображень на валетронному пристрої показала: один фізичний чіп може виконувати функції кількох незалежних каналів одночасно — саме те, що потрібне для ефективних нейронних мереж і квантових обчислень.

FAQ

Чим відрізняється фотонний процесор від звичайного? Традиційний процесор передає інформацію у вигляді електричних сигналів — потоків електронів. Фотонний використовує фотони (частки світла). Це дає вищу швидкість, нижче енергоспоживання і можливість паралельного мультиплексування. Основна складність: фотони погано «зберігати» і важче направляти, ніж електрони.

Що таке «долинний ступінь свободи»? У деяких кристалах електрони можуть перебувати в двох різних квантових долинних станах — «K» і «K’» — що відповідають різним мінімумам в енергетичній зонній структурі матеріалу. Ці стани можна використовувати для кодування інформації (0 і 1 або більш складні квантові стани). У TMD-матеріалах кожен долинний стан прямо пов’язаний із певним видом поляризованого світла — що і дозволяє керувати ним оптично.

Чому пристрій працює за кімнатної температури — і чому це рідкість? Квантові ефекти у більшості матеріалів руйнуються через теплові коливання при кімнатній температурі. TMD-матеріали мають надзвичайно міцний зв’язок між долинним станом і оптичними властивостями, що зберігається навіть за 20–25°C. Це принципово відрізняє їх від надпровідникових кубітів, які потребують охолодження до –273°C.

Коли ця технологія може потрапити в реальні пристрої? Поки що це фундаментальна наукова демонстрація. Наступні кроки — підвищення стабільності, масштабування до більших чіпів і інтеграція з існуючими кремнієвими платформами. Комерційні застосування — квантові комунікації, ШІ-прискорювачі і сенсори — реалістичні у горизонті 5–15 років.

Яка різниця між цим пристроєм і звичайним фотонним чіпом? Звичайний фотонний чіп використовує інтенсивність або довжину хвилі світла для передачі даних. Валетронний чіп використовує квантову поляризаційну структуру фотонів — долинний стан — що дає додатковий інформаційний вимір і пряму сумісність із квантовими системами обробки.

WOW-факт: Матеріал, що лежить в основі цього чіпу, — тонший за людський волос у 100 000 разів: буквально кілька атомних шарів. І саме завдяки цій екстремальній тонкості матеріал набуває квантових властивостей, яких не має у товстій формі. Людство вперше реалізувало повний цикл обробки інформації — «записати, доставити, прочитати» — за допомогою квантового стану фотонів на пристрої меншому за крапку в кінці цього речення.

Вчені з Monash University створили чіп, що обробляє дані світлом з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com