Cómo las vigas de Terahercios y un receptor de inspiración cuántica podrían liberar procesadores de múltiples núcleos del cuello de botella de cableado

Durante décadas, la computación siguió una regla simple: los transistores más pequeños hicieron chips más rápidos, más baratos y más capaces. A medida que la ley de Moore se ralentiza, un límite diferente se ha enfocado. El desafío ya no es solo cálculo; Los procesadores y aceleradores modernos están estrangulados por la interconexión.

E incluso si las computadoras cuánticas a gran escala alguna vez se materializan, aún requerirían bosques densos de control, lectura y enlaces de corrección de errores. Cada conexión agregada aumenta el retraso, el calor y el desperdicio de energía hasta que el cableado en sí se convierta en el cuello de botella.

Entonces hicimos una pregunta simple pero radical: ¿Qué pasaría si las chips pudieran hablar entre ellos sin cables?

De los cables a las olas

En lugar de entrecruzarse las interconexiones de cobre, imagine chips que intercambian información utilizando vigas de ondas de Terahertz (THZ). Estas frecuencias son miles de veces más altas que Wi-Fi y pueden transportar enormes cantidades de datos a la velocidad cercana. Pero convertir esta visión en realidad no es trivial: los enlaces THZ a escala de chips enfrentan interferencia, ruido y presupuestos de potencia estrictos.

Nuestro trabajo reciente publicado en Investigación de fotónica avanzada Aborda estos límites con una arquitectura de dos partes: un transmisor que esculpa energía con precisión extrema y un receptor a nanoescala que filtra el ruido a nivel físico, antes de que normalmente comience el procesamiento voluminoso.

Un transmisor de matriz en fase modular

En el lado de transmisión, diseñamos una matriz en fase modular (MPA) para la banda THZ. Matrices tradicionales en fases principalmente vigas de dirección; El nuestro también los concentra en paquetes de energía tridimensionales estrechamente enfocados en el campo cercano, ideal para enlaces cortos de chips a chip.

Una configuración de doble portadora suprime los lóbulos de rejilla no deseados, las vigas fantasmas que desperdician la potencia y causan diafonía, y ayuda a mitigar la falta de coincidencia de la polarización entre el transmisor y el receptor. El resultado es un transmisor que ofrece precisión y resiliencia, crucial en entornos densos de múltiples núcleos.

Un receptor diseñado por el flotador

El receptor es donde el diseño se vuelve verdaderamente poco convencional. En lugar de confiar en el procesamiento de señal digital pesado, utilizamos la ingeniería de flotadores, periódicamente los electrones con un campo electromagnético aplicado para remodelar su respuesta. Nuestro prototipo utiliza un pozo cuántico semiconductor bidimensional (2DSQW) cuyos electrones responden directamente a la radiación THZ entrante.

Al ajustar el campo periódico en el tiempo, adaptamos la conductividad efectiva del material para que el receptor enfatice naturalmente la señal deseada mientras suprimemos el ruido. La geometría del dispositivo también admite la modulación espacial: la información se puede codificar en patrones distintos de flujo de corriente en el receptor, lo que hace que el enlace compacto, sensible e inherentemente robusto a la interferencia.

Aplicaciones en computación clásica y cuántica

Para los procesadores clásicos, esta arquitectura ofrece un camino hacia un mayor ancho de banda y menor energía por bit al extraer cables largos y resistentes del camino crítico. Para la computación cuántica, tenemos una visión cautelosa: las máquinas prácticas a gran escala pueden tardar mucho tiempo en emerger, e incluso si lo hacen, aún enfrentarán limitaciones de interconexión. Los sistemas actuales de bajo qubit funcionan a temperaturas criogénicas, donde cada línea de control agrega calor y ruido.

En ese contexto limitado, nuestro marco mantiene el transmisor caliente mientras el receptor permanece frío, preservando el aislamiento térmico mejor que los cables. Un enlace inalámbrico podría reducir modestamente la densidad de la línea de control y la carga térmica en pequeños bacos de prueba, pero no resuelve los problemas de escala y corrección de errores más difíciles; En el mejor de los casos, mitiga una porción del cuello de botella de cableado.

Una plataforma para la era posterior a Moore

El significado más amplio es la arquitectura: pasar de un mundo limitado por metal a uno orquestado por las olas. Al unir un transmisor de matriz de fase THZ de campo cercano con un nano-receptor de ingeniería de Floquet, el sistema ataca el ruido donde comienza y da forma a la energía donde importa.

Los mismos principios se escalan hacia afuera a los enlaces ópticos inalámbricos dentro de los bastidores o habitaciones, donde las matrices en fases dentro de las matrices en fases pueden esculpir múltiples vigas simultáneas para una conectividad eficiente y más verde, una dirección resaltada en las características de investigación accesibles.

Tomados en conjunto, estos avances dibujan un camino creíble hacia los procesadores, clásicos y cuánticos, que son más rápidos, más frescos y dramáticamente más escalables.

Esta historia es parte de Diálogo de ciencias xdonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página Para obtener información sobre el diálogo de Science X y cómo participar.

Kosala Herath es investigadora en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Melbourne, Australia. Recibió su licenciatura en ingeniería electrónica y de telecomunicaciones de la Universidad de Moratuwa, Sri Lanka, en 2018. Puritó más estudios en la Universidad de Monash en Australia, donde completó su Ph.D. En dispositivos de electrónica y fotónica de cuántica en 2023.

Malin Premaratne obtuvo varios grados de la Universidad de Melbourne, incluido un B.Sc. En Matemáticas, A Be in Electrical and Electronics Engineering (con honores de primera clase) y un Ph.D. En 1995, 1995 y 1998, respectivamente. Actualmente, es profesor completo en la Universidad de Monash Clayton, Australia. Su experiencia se centra en la teoría, simulación y diseño de dispositivos cuánticos, utilizando los principios de la electrodinámica cuántica.