Data center potenziati da un interruttore quantistico

Sfruttando l’intero spazio della permettività dielettrica complessa, la fotonica non hermitiana ha alterato radicalmente la propagazione delle onde con potenziali ottici complessi e ha inaugurato una serie di nuove applicazioni fotoniche. Attraverso la simmetria del tempo di parità e la sua rottura – una delicata interazione tra guadagno e perdita – anche l’interazione tra due sole entità diventa controintuitiva e intrigante. Ogni secondo, terabyte di dati, l'equivalente di scaricare migliaia e migliaia di film contemporaneamente, viaggiano in tutto il mondo come luce in cavi in ​​fibra ottica, come tante auto stipate su un'autostrada superveloce.

Quando queste informazioni raggiungono i data center, hanno bisogno di un sistema di commutazione, proprio come le auto hanno bisogno dei semafori, per uscire dall'autostrada in modo ordinato.

Finora, gli switch fotonici utilizzati per l'instradamento dei segnali ottici sono stati ostacolati da un compromesso fondamentale tra dimensioni e velocità: gli switch più grandi possono gestire velocità più elevate e più dati, ma consumano anche più energia, occupano più spazio fisico e fanno aumentare i costi.

Accelerare la superstrada dell'informazione

In un nuovo articolo su Nature Photonics (1), i ricercatori della University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science (Penn Engineering) descrivono la creazione di un nuovo interruttore fotonico che supera questo compromesso tra dimensioni e velocità. E con appena 85 per 85 micrometri, le unità del nuovo interruttore sono più piccole di un granello di sale.

Manipolando la luce su scala nanometrica con un'efficienza senza precedenti, il nuovo switch velocizza il processo di inserimento e disinserimento dei dati nella vera e propria superstrada informativa dei cavi in ​​fibra ottica che circonda il globo. «Questo ha il potenziale per accelerare tutto, dallo streaming di film all'addestramento dell'intelligenza artificiale», afferma il dottor Liang Feng (2), professore di scienza e ingegneria dei materiali (MSE) e di ingegneria elettrica e dei sistemi (ESE) e autore senior del documento.

La meccanica quantistica incontra l'ottica

Il nuovo switch si basa sulla fisica non-hermitiana, una branca della meccanica quantistica che esplora il modo in cui determinati sistemi si comportano in modi insoliti, dando ai ricercatori un maggiore controllo sul comportamento della luce. «Possiamo regolare il guadagno e la perdita del materiale per guidare il segnale ottico verso la giusta uscita dell'autostrada dell'informazione», afferma Xilin Feng, uno studente di dottorato in ESE e primo autore del documento. In altre parole, la fisica unica in gioco consente ai ricercatori di domare il flusso di luce sul piccolo chip, consentendo un controllo preciso sulla connettività di qualsiasi rete basata sulla luce.

Il risultato è che il nuovo switch può reindirizzare i segnali in trilionesimi di secondo con un consumo energetico minimo. «È circa un miliardo di volte più veloce di un battito di ciglia», afferma Shuang Wu, uno studente di dottorato in MSE e coautore del documento. «Gli switch precedenti erano piccoli o veloci, ma è molto, molto difficile ottenere queste due proprietà contemporaneamente».

Utilizzo del silicio per la scalabilità

Il nuovo switch è anche degno di nota perché è realizzato in parte in silicio, il materiale standard del settore, poco costoso e ampiamente disponibile. «La commutazione non-hermitiana non è mai stata dimostrata in una piattaforma di fotonica al silicio prima d'ora», afferma Wu. In teoria, l'incorporazione del silicio nello switch faciliterà la scalabilità del dispositivo per la produzione di massa e l'ampia adozione nel settore. Il silicio è un componente chiave nella maggior parte delle tecnologie, dai computer agli smartphone; costruire il dispositivo utilizzando il silicio lo rende completamente compatibile con le fonderie di fotonica al silicio esistenti, che realizzano chip avanzati per dispositivi come le unità di elaborazione grafica (GPU).

Dal concetto al prototipo

Sopra lo strato di silicio, l'interruttore è costituito da un particolare tipo di semiconduttore, costituito da fosfuro di arseniuro di indio e gallio (InGaAsP), un materiale particolarmente efficace nel manipolare le lunghezze d'onda infrarosse della luce, come quelle tipicamente trasmesse nei cavi ottici sottomarini.

Unire i due strati si è rivelato impegnativo e ha richiesto numerosi tentativi per costruire un prototipo funzionante. «È simile a fare un panino», afferma Xilin Feng, riferendosi all'aggiunta degli strati l'uno all'altro. Solo che, in questo caso, se uno qualsiasi di quegli strati fosse disallineato anche di un piccolo grado, il panino sarebbe del tutto immangiabile. «L'allineamento richiede una precisione nanometrica», osserva Wu.

Trasformare i data center

In definitiva, affermano i ricercatori, il nuovo switch non sarà vantaggioso solo per i fisici accademici, che ora possono esplorare ulteriormente la fisica non-hermitiana da cui dipende lo switch, ma anche per le aziende che gestiscono e costruiscono data center e per i miliardi di utenti che vi fanno affidamento. «I dati possono viaggiare solo alla velocità che possiamo controllare», afferma Liang Feng. «E nei nostri esperimenti abbiamo dimostrato che il limite di velocità del nostro sistema è di soli 100 picosecondi».

Questo studio è stato condotto presso l'University of Pennsylvania School of Engineering e sostenuto dall Applied Science e supporato dall'Army Research Office (ARO) (W911NF-21-1-0148 and W911NF-22-1-0140), l'Office of Naval Research (ONR) (N00014-23-1-2882) e dal National Science Foundation (NSF) (ECCS-2023780, DMR-2326698, DMR-2326699 and DMR-2117775). Tra gli altri coautori figurano Tianwei Wu, Zihe Gao, Haoqi Zhao and Yichi Zhang of Penn Engineering and Li Ge of the City University of New York.

Riferimenti:

(1) Non-Hermitian hybrid silicon photonic switching

(2) Liang Feng

Descrizione foto: Il professor Liang Feng e i membri del gruppo Xilin Feng, Tianwei Wu e Shuang Wu, da sinistra. - Credit: Bella Ciervo.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Revolutionizing Data Centers: Penn Engineers’ Breakthrough in Photonic Switching