Переход от мира, ограниченного металлом, к миру, управляемому волнами

И даже если когда-нибудь появятся крупномасштабные квантовые компьютеры, для них всё равно потребуются обширные сети для управления, считывания данных и исправления ошибок. Каждое дополнительное соединение увеличивает задержку, тепловыделение и потери энергии, пока сама проводка не становится узким местом.

Представьте себе вместо перекрещивающихся медных межсоединений чипы, которые обмениваются информацией с помощью терагерцовых (ТГц) волн. Эти частоты в тысячи раз выше, чем у Wi-Fi, и позволяют передавать огромные объёмы данных со скоростью, близкой к скорости света. Но воплотить эту идею в жизнь непросто: ТГц-каналы на уровне чипов сталкиваются с помехами, шумом и жёсткими ограничениями по энергопотреблению.

Группа исследователей решила преодолеть эти ограничения с помощью архитектуры, состоящей из двух частей: передатчика, который формирует энергию с высочайшей точностью, и наноразмерного приёмника, который фильтрует шум на физическом уровне ещё до того, как обычно начинается объёмная постобработка

Что касается передающей стороны, они разработали модульную фазированную антенную решётку (МФАР) для терагерцового диапазона. Традиционные фазированные антенные решётки в основном направляют лучи, а представленная исследователями решётка также концентрирует их в плотно сфокусированных трёхмерных энергетических пакетах в ближнем поле, что идеально подходит для коротких каналов связи между чипами.

Конфигурация с двумя несущими подавляет нежелательные лепестки диаграммы направленности, «призрачные» лучи, которые расходуют энергию и вызывают перекрестные помехи, а также помогает уменьшить несоответствие поляризации между передатчиком и приемником. В результате получается передатчик, который обеспечивает точность и надежность, что крайне важно в плотных многоядерных средах.

Приёмник — это та часть конструкции, которая делает её по-настоящему необычной. Вместо того чтобы полагаться на сложную цифровую обработку сигналов, ученые использовали метод Флоке, периодически воздействуя на электроны электромагнитным полем, чтобы изменить их отклик. В разработанном прототипе используется двумерная полупроводниковая квантовая яма (2DSQW), электроны которой напрямую реагируют на входящее терагерцовое излучение.

Настраивая время-периодическое поле, ученые изменяли эффективную проводимость материала таким образом, чтобы приёмник естественным образом усиливал нужный сигнал и подавлял шум. Геометрия устройства также поддерживает пространственную модуляцию: информация может быть закодирована в виде различных схем протекания тока в приёмнике, что делает канал связи компактным, чувствительным и устойчивым к помехам.

Для классических процессоров эта архитектура обеспечивает более высокую пропускную способность и более низкое энергопотребление на бит за счёт исключения длинных резистивных проводов из критического пути. Что касается квантовых вычислений, исследователи придерживаются осторожного подхода: создание практичных крупномасштабных машин может занять много времени, и даже если они появятся, они всё равно будут сталкиваться с ограничениями, связанными с межсоединением. Современные системы с малым количеством кубитов работают при низких температурах,  при которых каждая линия управления добавляет тепло и шум.

В этом ограниченном контексте система поддерживает температуру передатчика на высоком уровне, в то время как приёмник остаётся холодным, что обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем у кабелей. Беспроводная связь может незначительно снизить плотность линий управления и тепловую нагрузку в небольших испытательных стендах, но она не решает более сложные проблемы масштабирования и исправления ошибок. В лучшем случае она устраняет одно из узких мест, связанных с проводкой.

Более широкое значение имеет архитектурная составляющая: переход от мира, ограниченного металлом, к миру, управляемому волнами. Объединив передатчик с фазированной антенной решёткой в ближнем поле и наноприёмник, разработанный на основе метода Флоке, система подавляет шум там, где он возникает, и формирует энергию там, где это необходимо.

Те же принципы применимы к оптическим беспроводным каналам внутри стоек или помещений, где фазированные антенные решетки внутри фазированных антенных решеток могут создавать несколько одновременных лучей для эффективного и экологичного подключения. Это направление освещается в доступных исследовательских материалах.

В совокупности эти достижения открывают реальный путь к созданию более быстрых, менее энергозатратных и значительно более масштабируемых классических и квантовых процессоров.