دانشمندان برای اولین بار اطلاعاتی مبتنی بر نور را به‌صورت امواج صوتی روی یک تراشه‌ی رایانه‌ای ذخیره کرده‌اند؛ چیزی که محققان آن را با به دام انداختن صاعقه در قالب رعد قیاس می‌کنند.

در حالی که خبر اخیر ممکن است کمی عجیب به نظر برسد، ولی در هر حالت می‌توان اذعان کرد چنین تبدیلی همان چیزی است که دانشمندان برای ارتقا از کامپیوترهای ناکارآمد الکترونیکی کنونی، به رایانه‌های مبتنی بر نور نیاز دارند؛ کامپیوترهای نوری می‌توانند داده‌ها را با سرعت نور منتقل کنند. رایانه‌های مبتنی بر نور یا همان کامپیوترهای فوتونی، دارای توانایی اجرایی به میزان حداقل ۲۰ برابر سریع‌تر از لپ‌تاپ شما هستند، لازم به ذکر هم نیست که این کامپیوترها گرما تولید نخواهند کرد و مصرف انرژی‌شان نیز همانند دستگاه‌های فعلی نخواهد بود.

دلیل چنین مزیت و عملکردی هم این است که کامپیوترهای نوری از دیدگاه تئوری،داده‌ها را به‌جای پردازش با الکترون‌ها، با استفاده از فوتون‌ها پردازش می‌کنند. ما در اینجا تاکید کردیم که از دیدگاه تئوری چنین است؛ چرا که، علی رغم تلاش‌های شرکت‌هایی مانند IBM و اینتل که به دنبال محاسبات مبتنی بر نور هستند، انتقال داده‌ها توسط نور، در مقام کلام بسیار راحت‌تر از دنیای واقعی انجام می‌شود!

رمزگذاری کردن اطلاعات و ثبت آن روی فوتون‌ها به اندازه‌ی کافی آسان است؛ این در واقع کاری است که دانشمندان در حال حاضر نیز توان انجامش را دارند. زمانی که ما اطلاعات را از طریق فیبر نوری می‌فرستیم، از همین راهکار استفاده می‌کنیم.

اما پیدا کردن راهی برای اینکه از طریق آن بتوانیم تراشه‌ی کامپیوتری را قادر به بازیابی و پردازش اطلاعات ذخیره‌شده در فوتون‌ها کنیم، بسیار دشوار است. دلیل آن هم اتفاقا عاملی است که نور را برای ما تا این حد شگفت‌انگیز کرده است: نور بسیار سریع‌تر از آن است که میکروچیپ‌های کنونی قادر به خواندن اطلاعات نوری باشند.

به همین دلیل است که اطلاعات مبتنی بر نور که در سراسر دنیا از طریق کابل‌های اینترنتی با سرعت‌های بسیار بالا منتقل می‌شوند؛ اما در انتها باید به الکترون‌های کند تبدیل شوند. با این تفاسیر یک جایگزین بهتر می‌تواند سرعت نور را کاهش دهد و آن را به صوت تبدیل کند. و این دقیقا همان چیزی است که محققان دانشگاه سیدنی استرالیا انجام داده‌اند.

بریجیت استیلر، مدیر پروژه‌ی اخیر گفته است:

اطلاعات موجود در تراشه‌ی ما، در حالت آکوستیک (صوتی) با سرعتی ۵ برابر کمتر از دامنه اپتیک (نوری) منتقل می‌شوند. این مانند تفاوت بین تندر و صاعقه است. این بدان معنی است که کامپیوترها می‌توانند از مزایای انتقل داده‌ها با نور از جمله سرعت بالا، عدم تولید حرارت ناشی از مقاومت الکترونیکی و عدم دخالت تابش الکترومغناطیسی را داشته باشد؛ از طرفی هم می‌توانند این داده‌ها را به اندازه‌ی کافی کند سازند تا تراشه‌های کامپیوتری بتوانند کارهای پردازشی مطلوب را روی آنها انجام دهند.

مورتیز مرکلین، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی گفت:

برای اینکه [رایانه‌های نوری] به یک واقعیت تجاری تبدیل شوند، باید داده‌های فوتونی روی تراشه‌ها کُند شوند تا بتوانیم آنها را پردازش، روت، ذخیره کرده و به آنها دسترسی هم پیدا کنیم.

بنجامین اگلتون، یکی از اعضای تیم اضافه می‌کند:

این یک گام مهم در زمینه‌ی پردازش اطلاعات نوری است، زیرا طرح مفهومی اخیر، تمام الزامات مربوط به سیستم‌های ارتباطی نوری فعلی و آینده را برآورده می‌کند.

این تیم با توسعه‌ی یک سیستم حافظه‌ای که به‌طور دقیق بین امواج نور و صوت روی یک میکروچیپ فوتونی قرار می‌گیرد، موفق به ساخت سیستم جدید شده‌اند. گفتنی است که میکروچیپ فوتونی، نوعی تراشه است که در کامپیوترهای نوری استفاده می‌شود.

نحوه‌ی کار سیستم به این ترتیب است: ابتدا اطلاعات فوتونی به‌عنوان یک پالس نوری وارد تراشه می‌شود؛ جایی که در آن با یک پالس نوری دیگر باعنوان نوشتن یا write تعامل می‌کند و در نهایت به تولید یک موج آکوستیک با توانایی ذخیره‌سازی داده‌ها منجر می‌شود. پالس دیگری از نور، به‌نام پالس خواندن یا read شناخته می‌شود. این پالس در ادامه به داده‌های صوتی دسترسی پیدا می‌کند و یک بار دیگر آنها را به صورت نور انتقال می‌دهد.

در حالی که نور بدون محدودیت می‌تواند در ۲ تا ۳ نانو ثانیه از میان تراشه عبور کند؛ اما زمانی که به‌صورت یک موج صوتی ذخیره شوند، اطلاعات خواهند توانست تا ۱۰ نانو ثانیه در تراشه باقی بمانند و این زمان برای بازیابی و پردازش آنها کافی است. این واقعیت که تیم پژوهشی موفق به تبدیل نور به امواج صوتی شده‌اند، نه‌تنها آنها را کندتر کرده است، بلکه علاوه بر آن باعث ذقیق‌تر شدن بازیابی اطلاعات هم شده است.

از سویی هم بر خلاف تلاش‌های قبلی، سیستم جدید در یک پهنای باند وسیع به‌خوبی کار می‌کند. مرکلین گفت: ساخت یک بافر صوتی درون یک تراشه، توانایی ما در کنترل اطلاعات را تا چندین مرتبه افزایش می‌دهد. استیلر می‌گوید:

سیستم ما محدود به پهنای باند خاصی نیست، بنابراین بر خلاف سیستم‌های قبلی، این اجازه را می‌دهد که بتوانیم اطلاعات را در طول موج‌های چندگانه به طور همزمان ذخیره و بازیابی کنیم و این موضوع به طور قابل توجهی کارایی دستگاه استیلر را افزایش می‌دهد.

دستاوردهای این پژوهش در Nature Communications منتشر شده است