אור בקצה המחשבה: האם בעתיד יוכלו מחשבים לחשוב באמצעות אור?

בכל פעם שאנחנו שולחים הודעה, צופים בסרטון או משתתפים בשיחת וידאו, חלק גדול מהמידע עובר ברחבי העולם באמצעות אור – בתוך סיבים אופטיים.

זוהי אחת הדרכים המהירות והיעילות ביותר להעביר מידע למרחקים. במילים אחרות, האור כבר משמש כ"כביש המהיר" של האינטרנט.

אבל כשהמידע מגיע למחשב, האור כבר לא מספיק. כדי לעבד את המידע, המחשב צריך להמיר אותו לאות חשמלי. לאחר מכן, אם המידע צריך להמשיך בדרכו, הוא מומר שוב לאור.

מחקר בינלאומי חדש - בהשתתפות ד"ר ליאור מיכאלי מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וראש המעבדה למטא־אופטומכניקה - מציג צעד נוסף בדרך להתגבר על המגבלה הזאת.

החוקרים הצליחו לשלוט בכיוון ובצורתן של קרני אור בתוך פחות מעשירית מטריליונית השנייה – פרק זמן קצר כל כך, שהאור עצמו עובר בו מרחק קטן מעובייה של שערת אדם.

המחקר הובל על ידי ד"ר קלאודיו הייל, כיום חבר סגל באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, ובוצע כאשר הוא וד"ר מיכאלי היו חברים בקבוצת המחקר של פרופ' הארי אטווטר במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech).

למה ואיך שולטים באור?

האור כבר משמש אותנו להעברת מידע, אבל כדי לבנות מערכות תקשורת מהירות יותר, מצלמות מתקדמות או מחשבים אופטיים, צריך גם לדעת לשלוט בו: לשנות כיוון, למקד אותו, ולעצב אותו בהתאם לצורך.

כיום, כדי לשנות את כיוון האור או לעצב אותו, משתמשים בדרך כלל במראות, בעדשות או ברכיבים אופטיים אחרים.

לכן, במקום להזיז רכיבים מכניים כדי לכוון את האור, החוקרים מצאו דרך לשנות את האופן שבו האור עובר דרך חומר – וכך לכוון ולעצב אותו כמעט באופן מיידי.

צוות המחקר הצליח לעשות זאת בזכות המטא־משטח – שכבה דקה במיוחד המכוסה במבני סיליקון זעירים. כל המבנים האלה קטנים כל כך שאי אפשר לראות אותם בעין, אבל יחד הם משנים את הדרך שבה קרן האור עוברת דרך המשטח.

כאשר החוקרים האירו את המטא־משטח בפולס לייזר קצר במיוחד, השתנו לרגע תכונות הסיליקון. כתוצאה מכך, השתנתה גם הדרך שבה האור עבר דרך המשטח, וכך ניתן היה לשנות את כיוון הקרן ואת צורתה – בלי להזיז מראה, עדשה או כל חלק מכני אחר.

^{ד"ר קלאודיו הייל, ד"ר ליאור מיכאלי ופרופ' הארי אטווטר} 

מה הצליחו החוקרים להראות?

בניסויים הצליחו החוקרים להסיט את קרן האור, ואף לשנות את צורתה וליצור תבניות אור שונות.

המשמעות היא שאותו רכיב יכול לבצע פעולות שונות, בהתאם לאופן שבו מאירים אותו. במקום לייצר רכיב נפרד לכל משימה, ניתן להשתמש באותו מטא־משטח כדי להסיט, לעצב ולשלוט באור בדרכים שונות – וכל זאת ללא חלקים נעים.

לדברי ד"ר מיכאלי:

עבורי, מרגש במיוחד לראות רעיון שליווה אותי במשך שנים הופך למציאות ניסויית. הקושי הגדול היה שהאפקט המהיר שרצינו לנצל הוא בדרך כלל חלש מאוד. היינו צריכים לתכנן את המטא־משטח כך שיגביר אותו מספיק כדי שנוכל לא רק למדוד אותו, אלא ממש להשתמש בו כדי לכוון ולעצב אור.

כל הפעולות הללו מתרחשות בתוך פחות מעשירית מטריליונית השנייה - מהירות כמעט זהה למשך פולס הלייזר שבו השתמשו. המשמעות היא שאם בעתיד ניתן יהיה להשתמש בפולסי לייזר קצרים עוד יותר, ייתכן שגם השליטה באור תהיה מהירה יותר.

ככל שניתן יהיה לשלוט באור מהר יותר, כך יגדלו הסיכויים להשתמש בו לא רק להעברת מידע, אלא גם לביצוע חלק מפעולות העיבוד שמתבצעות כיום באמצעות רכיבים אלקטרוניים. ככל שפחות פעמים יהיה צורך להמיר את המידע מחשמל לאור ובחזרה, כך מערכות עתידיות יוכלו להיות מהירות ויעילות יותר.

^{הדמיה: שבב פוטוני לעיבוד מידע באמצעות אור}

איך זה עשוי לשנות את המחשבים של העתיד?

כיום, במערכות מחשוב רבות, המידע עובר מסלול קבוע: הוא מועבר באמצעות אור, מומר לחשמל כדי לעבור עיבוד, ולאחר מכן מומר שוב לאור כדי להמשיך בדרכו.

אחד היעדים המרכזיים של תחום המחשוב האופטי הוא לצמצם ככל האפשר את שלבי ההמרה.

אם בעתיד ניתן יהיה לעבד לפחות חלק מהמידע באמצעות אור עצמו, מחשבים ומערכות תקשורת יוכלו לפעול במהירות גבוהה יותר וביעילות רבה יותר.

המחקר הנוכחי עדיין אינו מציג מחשב אופטי - הוא מתמודד עם אחד האתגרים המרכזיים בדרך לשם: כיצד לשלוט באור במהירות ובדיוק שיאפשרו להשתמש בו לא רק כאמצעי להעברת מידע, אלא גם כחלק מתהליך העיבוד שלו.

לדברי החוקרים, בעתיד עשוי הפיתוח לתרום למחשבים אופטיים, למערכות תקשורת מהירות יותר, לחיישנים ולמצלמות שיוכלו לעקוב אחר תהליכים מהירים במיוחד.

בטווח הרחוק יותר, הוא עשוי להיות רלוונטי גם לפוטוניקה קוונטית – תחום שבו נדרשת שליטה מהירה ומדויקת באור.

עדיין לא מדובר במחשב אופטי, אבל המחקר מקרב את אחד החזונות הגדולים של התחום: עולם שבו האור לא רק מעביר מידע ממקום למקום – אלא גם משתתף בעיבוד שלו.