این دستاورد بیسابقه بنیادهای سختافزاری آینده پردازش اطلاعات را دگرگون میکند؛ چرا که این کریستالهای خاص بر خلاف کریستالهای معمولی (مانند الماس که اتمهای آنها در «مکان» بهصورت منظم تکرار شدهاند)، ساختاری نوسانی دارند که در «زمان» بهصورت تناوبی تکرار میشود.
مهمترین کاربرد عملیاتی این جهش علمی، حل بحران مصرف انرژی و کندی محاسبات هوش مصنوعی است.
تراشههای فوتونیک مبتنی بر کریستال زمانی میتوانند پروسه سنگین ضرب ماتریسها در شبکههای عصبی عمیق را به جای الکتریسیته، با «سرعت نور» و «تقویت خودکار سیگنال بدون گرما» انجام دهند.
این رویداد آغاز رسمی کوچ سختافزاری هوش مصنوعی از سیلیکون داغ به فوتونیک کوانتومی است. جزئیات فنی و نحوه کارکرد این ماده شگفتانگیز را در ادامه بخوانید.
در فیزیک کلاسیک و فوتونیک سنتی، خواص نوری یک ماده (مانند ضریب شکست) در طول زمان ثابت میماند یا فقط در واکنش به محرکهای خارجی تغییر میکند.
اما کریستال زمانی نوری مادهای است که «شکست تقارن انتقالی زمان» (Time Translation Symmetry Breaking) در آن رخ میدهد.
این یعنی ویژگیهای الکترومغناطیسی ماده با فواصل زمانی کاملاً منظم و ثابت نوسان میکنند، حتی زمانی که هیچ انرژی بیرونی جدیدی به آن وارد نشود.
دانشمندان برای ساخت این حالت جدید ماده، از لایههای نازک اکسیدهای رسانا و پالسهای فوق سریع لیزر «فمتوثانیه» استفاده کردند.
این پالسها ضریب شکست ماده را در کسری از فمتوثانیه (یکمیلیونیم از یکمیلیاردم ثانیه) تغییر میدهند. این نوسان مداوم زمانی باعث میشود فوتونهای نوری عبوری از درون ماده، رفتاری کاملاً متفاوت از خود نشان دهند و موجهای نوری در طول زمان بازتاب یابند.
کی از چالشهای اصلی در پردازندههای سیلیکونی سنتی، تلفات شدید انرژی به صورت گرما هنگام حرکت الکترونهاست.
کریستال زمانی نوری این مشکل را از اساس حل میکند؛ زیرا فوتونهای نور هنگام عبور از این ماده نه تنها انرژی خود را از دست نمیدهند، بلکه وارد یک محدوده شکاف نواری زمانی میشوند که باعث «تقویت نمایی نور» میگردد.
در واقع، کریستال زمانی نوری مانند یک تقویتکننده بیسیم و بدون نویز عمل میکند.
نور ورودی بدون نیاز به قطعات الکترونیکی جانبی یا منبع تغذیه پرمصرف، هنگام عبور از ساختار زمانی ماده تقویت شده و شدت آن افزایش مییابد. این ویژگی منحصربهفرد، امکان انتقال دادهها با سرعت نزدیک به سرعت نور و بدون افت سیگنال در طول مسیر را فراهم میسازد.
سختافزارهای فعلی هوش مصنوعی (مانند پردازندههای گرافیکی GPU) به دلیل گلوگاه «فون نویمان» و محدودیت سرعت حرکت الکترون در مس، برای پردازش مدلهای بزرگ زبانی با بحران انرژی و سرعت مواجه شدهاند.
تراشههای فوتونیک مبتنی بر کریستال زمانی، رویای پردازش نوری هوش مصنوعی را محقق میکنند.
در این پردازندههای نسل جدید، محاسبات ریاضی سنگین هوش مصنوعی، مانند ضرب ضربدر ماتریسی در شبکههای عصبی، بهجای جریان الکتریکی، با تداخل امواج نوری در داخل کریستال زمانی انجام میشود.
این فرآیند سرعت پردازش مدلهای هوش مصنوعی را هزاران برابر افزایش داده و مصرف برق داتاسنترهای عظیم را تا ۹۹ درصد کاهش میدهد.
مزایای کریستال زمانی نوری صرفاً به هوش مصنوعی محدود نمیشود، بلکه زیرساخت کلیدی نسل بعدی شبکه ارتباطی (6G) و کامپیوترهای کوانتومی است. امواج طیف تراهرتز که پایه و اساس ارتباطات بسیار سریع آینده هستند، سخت بازتاب و تقویت میشوند؛ اما کریستالهای زمانی نوری میتوانند این امواج را به راحتی کنترل، هدایت و تقویت کنند.
از سوی دیگر، در حوزه محاسبات کوانتومی، این مواد میتوانند «فوتونهای درهمتنیده» را به عنوان کیوبیتهای نوری بدون تخریب حالت کوانتومی جابهجا کنند. این ویژگی کلید ساخت کامپیوترهای کوانتومی نوری است که نیازی به خنککنندههای پیچیده و دمای نزدیک به صفر مطلق ندارند و میتوانند در دمای اتاق کار کنند.
منبع: فارس
