Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Фотоника и квантовые материалы», посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этой лекции руководитель магистерской программы «Фотоника и квантовые материалы» Сколтеха Ильдар Габитов рассказывает, как фотоника изменила область информационных технологий.

Фотоника — это область науки и техники, которая работает со световыми потоками, потоками фотонов. Фотоны — это частички света, кванты света. Фотоника в настоящее время — это наиболее бурно развивающаяся область науки и техники. Примерно 35% всей продукции в мире, которая производится, производится с применением фотонных технологий. Ведущие научные центры занимаются развитием фотонных технологий, и это стало возможным благодаря развитию новых методов, которые позволяют изготавливать устройства очень маленьких размеров. Успехи в фотонике возникли в основном благодаря успехам в области миниатюризации и в области новых материалов.

В последнее время благодаря успехам в области фотоники произошло несколько революций. Например, изобретение оптического волокна привело к революции в области информационных технологий. Ранее информация передавалась по электрическим кабелям, и в середине прошлого века эта технология достигла своего предела. Дальнейшее увеличение скорости передачи информации с использованием электрических принципов, с использованием электронов стало невозможным. Поэтому потребовались какие-то новые принципы, и было изобретено оптическое волокно. Использование света для передачи информации, а точнее, оптических импульсов позволило фантастическим образом увеличивать объемы передаваемой информации.

То, что мы сейчас имеем интернет, мобильные телефоны, все информационное пространство, кардинальным образом изменившее нашу жизнь, ― все это произошло благодаря оптическому волокну. Когда мы разговариваем по мобильному телефону, на самом деле сигнал доходит до приемно-передающей станции, а дальше он выпускается или принимается из оптического волокна. Оптическое волокно и оптические технологии сейчас широко используются в медицине, навигации, технологии, для сварки. Трудно перечислить все полезные применения оптических технологий, которые используются сейчас повсеместно.

Рекомендуем по этой теме:
7980
Нанофотоника

Фотон — это квант света, поэтому фотонные технологии — это частный пример квантовых технологий. Наш центр и программа «Фотоника и квантовые материалы» включают в себя довольно широкий спектр предметов, посвященных фотонике. Это традиционные предметы: основы фотоники, нелинейная оптика, спектроскопия, технологические применения фотоники, квантовая оптика (фотоника). Важно помнить, что фотоны — это кванты света, это часть квантового мира, часть квантовой механики. Поэтому программа включает то, что относится к квантовой механике и квантовым материалам. Важным элементом квантовой оптики является лазерная физика. Недавно возник новый предмет, который также входит в нашу программу, ― это нанооптика.

Важной темой исследований и технологических разработок являются квантовые технологии. Мотивации этих исследований две. Первая связана с тем, что происходит миниатюризация электронных устройств, а поскольку происходит миниатюризация электронных устройств, становится важным учитывать квантовые эффекты малых размеров. Вторая мотивация связана с тем, что развитие технологии само по себе позволяет использовать удивительные свойства квантового мира ― использовать их для самого широкого спектра различных приложений. Прошлый век с технологической точки зрения был веком электроники. Вторая половина прошлого века была временем не просто электроники, а это был век квантовой электроники. Имеется в виду, что вначале электроника была дискретной, то есть электронные устройства представляли собой лампы, конденсаторы, различные индуктивности, которые собирались в единые электрические цепи, и мы имели телевизоры и радиоприемники. Постепенно возникли транзисторы, они превратились в микросхемы, и в конце концов появились микропроцессоры высокой степени интеграции.

Микропроцессоры высокой степени интеграции содержат громадное количество элементов. Современные процессоры, которые находятся в каждом компьютере или телефоне, содержат огромное количество транзисторов и отличаются исключительно высокой степенью надежности. Но если бы мы попытались сделать устройство такого типа сложности из дискретных элементов, то такое устройство работать в принципе не смогло бы. Оно бесконечно перегорало бы и просто не могло бы функционировать: во-первых, лампы не могут так долго работать, а во-вторых, они потребляли бы огромное количество энергии, возникали бы проблемы с теплоотводом. Здесь очень хорошо работает философский закон, который каждый хорошо знает со школьной скамьи, — переход количества в качество. В этом случае высокая степень интеграции привела к очень широким функциональным возможностям, которые 15–20 лет назад невозможно было себе представить, ― я говорю о компьютерах и гаджетах, которые мы теперь носим в карманах.

Что же произошло на рубеже веков, нынешнего и прошлого? Дальнейшая миниатюризация, а следует отметить, что на сегодняшний день современные технологии составляют 15 нанометров. Что такое нанометр? Нанометр — это 10-9 метра. Это один метр нужно поделить на величину, у которой единичка, а за ней следует 9 нулей — одна миллиардная от метра. Очень маленькая величина и 15 нанометров — это очень мало. Следует выделение тепла. Несмотря на то что каждый транзистор выделяет небольшое количество тепла, их так много в единице объема, что общее выделение тепла становится заметным, и сейчас нет материалов, которые позволяют удалять это тепло. Кроме того, транзисторы нужно соединять проводами, и проводов становится так много, что паразитные индуктивности, емкости, сопротивления начинают ограничивать тактовую частоту и производительность процессоров, что мы и наблюдаем в последнее время: тактовая частота процессоров не растет.

Кроме того, возникает следующая проблема: число электронов, которые участвуют в единице логической операции, приближается к единице. То есть дальше наступает физическое ограничение. Мы же не можем изготавливать устройства, в которых половина или четверть электрона участвует в одной логической операции. Это бессмыслица.

Какой выход из этой ситуации? Люди пытаются вместо электронов использовать фотоны, тем более что есть замечательный пример, когда вместо электронов использовали оптические импульсы для передачи информации. Что пытаются делать люди сейчас — использовать фотоны не только для передачи, но и для обработки информации. Но на этом пути есть огромные проблемы: электрон имеет заряд, поэтому электроном можно управлять электрическим или магнитным полем, а фотон нейтрален. Кроме того, электрон очень маленький (я уже упоминал, что технологические размеры у Samsung или Apple сейчас 10-15), а фотон большой. Длина волны, которая используется в современной телекоммуникации, ― 1500 нанометров. Это очень много по сравнению с 15 нанометрами. То есть фотон нельзя поместить в такой маленький размер. Поэтому что сейчас пытаются сделать — это гибридные технологии: совместить электронику и фотонику. Но на этом пути огромные проблемы, потому что технологии несовместимы. К сожалению, фотонные технологии, во-первых, трудно печатать, во-вторых, их нет, и это огромная проблема на сегодняшний день.

Поэтому, во-первых, у нас в Сколково ведутся исследования в этой области. Во-вторых, мы ведем преподавательскую работу и вводим курсы по электронике, фотонике и гибридизации. В частности, у нас имеются курсы по новым квантовым материалам ― это графены, углеродные нанотрубки, различные эффекты, которые в твердых телах, в частности в полупроводниках, возникают, связанные с электроникой. Это основы квантовой электроники, явления сверхпроводимости и многое другое, что связано с квантовой механикой, с современными материалами, в частности с метаматериалами и плазмониками, включая различные квантовые эффекты. И курсы, которые включают в себя современные методы, направленные на гибридизацию фотоники и электроники.