Archiviazione permanente dei dati su fibra ottica. La luce come memoria di massa.

Archiviazione permanente dei dati con la luce

È stata sviluppata la prima memoria on-chip permanente tutto-ottica. Questo è un passo importante verso i computer ottici. I materiali a cambiamento di fase che modificano le loro proprietà ottiche a seconda della disposizione degli atomi consentono la memorizzazione di più bit in una singola cella.

La prima memoria on-chip permanente interamente ottica è stata sviluppata dagli scienziati dell’Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) e dalle università di Münster, Oxford ed Exeter. Questo è un passo importante verso i computer ottici. I materiali a cambiamento di fase che modificano le loro proprietà ottiche a seconda della disposizione degli atomi consentono la memorizzazione di più bit in una singola cella. I ricercatori presentano il loro sviluppo sulla rivista Nature Photonics (10.1038 / nphoton.2015.182).

Memoria di dati completamente ottica: impulsi di luce ultra-brevi fanno cambiare il materiale GST da cristallino ad amorfo e viceversa. Gli impulsi di luce deboli leggono i dati.

La luce determina il futuro delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione: con gli elementi ottici, i computer possono lavorare in modo più rapido ed efficiente. Le fibre ottiche sono state utilizzate da tempo per la trasmissione di dati con la luce. Ma su un computer, i dati vengono ancora elaborati e memorizzati elettronicamente. Lo scambio elettronico di dati tra processori e memoria limita la velocità dei computer moderni. Per superare questo cosiddetto collo di bottiglia di von Neumann, non è sufficiente collegare otticamente memoria e processore, poiché i segnali ottici devono essere nuovamente convertiti in segnali elettrici. Gli scienziati, quindi, cercano metodi per eseguire calcoli e memorizzazione dei dati in modo puramente ottico.

Gli scienziati di KIT, l’Università di Münster, l’Università di Oxford e la Exeter University hanno ora sviluppato la prima memoria on-chip completamente ottica e non volatile. “I bit ottici possono essere scritti a frequenze fino a un gigahertz, il che consente una memorizzazione estremamente rapida dei dati grazie alla nostra memoria fotonica”, spiega il professor Wolfram Pernice. Pernice è stato a capo di un gruppo di lavoro del KIT Institute of Nanotechnology (INT) e recentemente si è trasferito all’Università di Münster. “La memoria è compatibile non solo con la trasmissione dati convenzionale in fibra ottica, ma anche con i processori più recenti”, aggiunge il professor Harish Bhaskaran dell’Università di Oxford.

La nuova memoria può memorizzare i dati per decenni anche quando viene tolta la corrente. Anche la sua capacità di immagazzinare molti bit in una singola cella di un miliardesimo di metro (memoria multi-livello) è molto attraente. Invece dei soliti valori di informazione di 0 e 1, diversi stati possono essere memorizzati in un elemento e possono essere fatti anche calcoli autonomi. Ciò è dovuto ai cosiddetti materiali a cambiamento di fase, nuovi materiali che cambiano le loro proprietà ottiche a seconda della disposizione degli atomi: entro i più brevi periodi di tempo, possono cambiare tra stati cristallini (regolari) e amorfi (irregolari). Per la memoria, gli scienziati hanno utilizzato il materiale a cambiamento di fase Ge2Sb2Te5 (GST). Il passaggio da cristallino ad amorfo (memorizzazione dei dati) e da amorfo a cristallino (cancellazione dei dati) viene avviato da impulsi di luce ultracorti. Per leggere i dati, vengono utilizzati impulsi di luce deboli.

Le memorie permanenti on-chip on-optical potrebbero aumentare considerevolmente le prestazioni future dei computer e ridurre il loro consumo energetico. Insieme alle connessioni tutto-ottiche, potrebbero ridurre le latenze. La conversione ad alta intensità di energia dei segnali ottici in segnali elettronici e viceversa non sarebbe più necessaria.

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Le fibre ottiche usate come memoria di massa.

Le fibre ottiche usate come memoria di massa.

 

Un sistema di memoria ottica interamente in fibra.

La luce si propaga nella fibra ottica a una velocità pari a 200.000 km / s. Quest’anno abbiamo dimostrato un modo per fermare e immagazzinare la luce all’interno della fibra e successivamente rilasciarla su richiesta, e quindi creare un sistema di memoria ottica all’interno della fibra stessa. 1

Questa capacità rappresenta un importante progresso nelle comunicazioni ottiche. Le fibre giacciono al cuore non solo del sistema mondiale di telecomunicazioni, ma anche di qualsiasi futuro Internet quantistico, 2 in cui l’informazione quantica viene trasportata e sincronizzata tra i nodi interconnessi. Le precedenti dimostrazioni di memoria ottica erano basate su insiemi di atomi a spazio libero, 3 non su un’implementazione guidata dall’onda compatibile con le fibre utilizzate nelle reti.

Al centro del dispositivo è una fibra commerciale, con una sezione corta allungata e ristretta a 400 nanometri di diametro. In quella sezione, la luce nella fibra può interagire in modo efficiente con una nuvola di atomi raffreddati al laser. Usando la tecnica della trasparenza indotta elettromagneticamente, ben nota nell’ottica dello spazio libero, ma precedentemente non combinata con un sistema di fibre, siamo stati in grado di rallentare l’impulso luminoso di 3000 volte e quindi di fermarlo completamente.

Le informazioni trasmesse dalla luce laser sono state trasferite agli atomi sotto forma di eccitazione collettiva, una grande sovrapposizione quantistica. Nel processo sono stati coinvolti circa 2.000 atomi di cesio molto vicini alla fibra. Successivamente, dopo un tempo programmabile, la luce fu rilasciata nella fibra, ricostituendo l’informazione codificata iniziale, che ancora una volta continuò il suo viaggio attraverso il resto della fibra. Abbiamo dimostrato tempi di conservazione fino a 5 μs, che corrisponderebbero a una distanza di percorrenza di 1 km se la luce non fosse stata fermata.

L’esperimento ha anche dimostrato che anche gli impulsi luminosi contenenti solo un singolo fotone possono essere memorizzati, con un rapporto segnale / rumore molto ampio. Questa funzione dovrebbe consentire l’uso di questo dispositivo come una memoria quantistica, un ingrediente essenziale per la creazione di future reti quantistiche.

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