Lần đầu tiên ánh sáng được lưu trữ dưới dạng sóng âm thanh

Các nhà khoa học đã thành công trong việc lưu trữ thông tin ánh sáng dưới dạng sóng âm thanh trên một con chip máy tính. Nghiên cứu đột phá này mở đường cho việc chế tạo ra các siêu máy tính chạy bằng ánh sáng với tốc độ xử lí mạnh gấp hàng chục lần máy tính thông thường.

Mặc dù điều này nghe có vẻ hơi kỳ lạ, nhưng sự chuyển đổi này lại cực kì cần thiết để tạo ra các đột phá trong lĩnh vực máy tính. Dựa vào kết quả nghiên cứu này, chúng ta có thể chuyển đổi những máy tính đang hoạt động không hiệu quả thành những máy tính chạy bằng ánh sáng. Điều đặc biệt là dữ liệu trên máy tính có thể được chuyển đi với tốc độ ánh sáng – cực kì nhanh!

Máy tính hoạt động dựa trên ánh sáng hay quang tử vận hành nhanh hơn máy tính thông thường ít nhất 20 lần. Không những thế, nó còn không hề sinh ra nhiệt hay tiêu hao năng lượng như những thiết bị điện tử hiện tại.

Lý giải những tính năng ưu việt này, các nhà khoa học cho biết, loại máy tính mới sẽ xử lý dữ liệu dưới dạng các photon (ánh sáng) chứ không phải là các hạt điện tử (hạt electron). Mặc dù rất có tiềm năng để phát triển và những công ty công nghệ nổi tiếng như IBM và Intel đang đầu tư rất nhiều tiền bạc và công sức để phát triển loại máy tính mới, nhưng quá trình chuyển đổi này không dễ để thực hiện.

Lưu trữ ánh sáng dưới dạng sóng âm thanh. (Ảnh: Pixabay).

Để mã hóa thông tin thành các photon thì rất dễ dàng - chúng ta đã từng làm điều đó khi tiến hành gửi thông tin qua sợi quang. Nhưng tạo ra những con chip máy tính để có thể lấy và xử lý thông tin được lưu giữ trong các photon mới là vấn đề: tốc độ truyền của các photon quá nhanh khiến các vi mạch hiện tại không thể theo kịp.

Đây chính là lý do khiến những thông tin ánh sáng truyền qua cáp Internet được chuyển đổi thành các hạt điện tử với tốc độ chậm chạp. Nhưng có một sự thay thế hiệu quả hơn để làm chậm tốc độ truyền của các photon, đó là chuyển đổi nó thành âm thanh – và đây chính xác là điều mà các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Sydney ở Úc đang thực hiện.

Giám đốc dự án, ông Birgit Stiller cho biết: "Thông tin trong những con chip chúng tôi chế tạo tồn tại dưới dạng âm thanh. Tốc độ di chuyển của chúng chậm hơn thông tin quang học gấp năm lần. Nó giống như sự khác biệt giữa tia chớp và tiếng sấm – tia chớp luôn xuất hiện trước tiếng sấm!”

Nghiên cứu mới tận dụng những ưu thế và khắc phục được nhược điểm của dữ liệu máy tính truyền bằng ánh sáng. Máy tính mới không sinh ra nhiệt do không có các điện trở, không bị cản trở bởi các bức xạ điện từ - nó còn làm chậm tốc độ truyền dữ liệu để các con chip máy tính có thể đọc kịp.

Nhà nghiên cứu Moritz Merklein nói: "Để thương mại hóa máy tính hoạt động dựa trên ánh sáng, dữ liệu quang tử trên con chip phải được làm chậm lại để những quá trình như xử lý, định tuyến, lưu trữ và truy cập có thể thực hiện được”.

"Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xử lý thông tin quang học vì nó đáp ứng tất cả các yêu cầu đối với hệ thống truyền thông quang học ở hiện tại và tương lai", nhà nghiên cứu Benjamin Eggleton bổ sung.

Sơ đồ chuyển đổi. (Ảnh: Trường ĐH Sydney).

Nhóm các nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu bằng cách phát triển một hệ thống bộ nhớ có thể truyền tải chính xác sóng ánh sáng và sóng âm thanh trên một vi mạch quang tử. Loại chip này sẽ được sử dụng trong các máy tính hoạt động bằng ánh sáng trong tương lai.

Đầu tiên, thông tin quang tử đi vào chip như một xung ánh sáng (màu vàng), tại đây nó tương tác với một xung “ghi” (màu xanh) để tạo ra sóng âm lưu trữ dữ liệu. Sau đó, một xung ánh sáng khác được gọi là xung “đọc” (màu xanh) truy cập dữ liệu âm thanh và được chuyển đổi lại thành xung ánh sáng (màu vàng) một lần nữa.

Bình thường, ánh sáng không bị cản trở sẽ truyền qua chip trong khoảng từ 2 đến 3 nano giây, nhưng khi được lưu trữ dưới dạng sóng âm, chúng có thể ở lại trên chip đến 10 nano giây. Thời gian này đủ lâu để thông tin được thu thập và xử lý.

Việc chuyển đổi ánh sáng thành sóng âm thanh không chỉ làm chậm tốc độ di chuyển của ánh sáng mà còn hỗ trợ thu thập dữ liệu được chính xác hơn. Điều đặc biệt là hệ thống có thể hoạt động trên một băng thông rộng.

Nhà nghiên cứu Merklein cho biết: "Việc xây dựng một bộ đệm âm thanh bên trong con chip giúp cải thiện khả năng điều khiển thông tin và hệ thống của chúng tôi không bị giới hạn trong một băng thông hẹp. Vì vậy, không giống như các hệ thống trước đây, điều này cho phép chúng tôi lưu trữ và tìm kiếm thông tin ở nhiều bước sóng cùng một lúc, làm tăng hiệu quả sử dụng của thiết bị".

Toàn bộ nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.