À l'avenir, de nombreux ordinateurs seront très probablement basés sur des circuits électroniques constitués de supraconducteurs. Ce sont des matériaux à travers lesquels un courant électrique peut circuler sans pertes d'énergie, qui pourraient être très prometteurs pour le développement de supercalculateurs performants et d'ordinateurs quantiques.

Des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara, de Raytheon BBN Technologies, de l'Université de Cagliari, de Microsoft Research et du Tokyo Institute of Technology ont récemment développé un modulateur magnéto-optique, un dispositif qui contrôle les propriétés d'un faisceau lumineux à travers un champ magnétique. Cet appareil, présenté dans un article publié dans Nature Electronics , pourrait contribuer à la mise en œuvre à grande échelle de l'électronique et des ordinateurs basés sur les supraconducteurs.

"Nous travaillons sur une nouvelle technologie capable d'accélérer les supercalculateurs hautes performances et les ordinateurs quantiques basés sur la technologie des supraconducteurs", a déclaré Paolo Pintus, le chercheur qui a dirigé l'étude, à TechXplore. "Les supraconducteurs ne fonctionnent correctement qu'à basse température, généralement juste au-dessus du zéro absolu (-273,15° Celsius). Pour cette raison, les circuits constitués de ces matériaux doivent être conservés à l'intérieur d'un réfrigérateur dédié."

Les circuits constitués de supraconducteurs sont généralement connectés à leur environnement extérieur à l'aide de câbles métalliques. Ces câbles ont une vitesse de communication limitée et peuvent transférer de la chaleur dans un circuit froid.

Une alternative prometteuse serait d'utiliser des fibres optiques, des fils de verre fins et flexibles qui peuvent véhiculer des signaux lumineux et qui sont actuellement utilisés pour acheminer des données Internet sur de longues distances. Ces fibres offrent deux avantages principaux par rapport aux câbles métalliques :elles peuvent transmettre 1 000 fois plus de données dans le même laps de temps sans transférer de chaleur, car le verre est un bon isolant thermique.

"Dans le cadre de nos travaux, nous avons conçu et fabriqué un dispositif (connu sous le nom de" modulateur optique ") qui convertit les informations transportées par un courant électrique dans un électroaimant en lumière", a expliqué Pintus. "C'est grâce à un mécanisme physique appelé" effet magnéto-optique ". Cette lumière peut voyager à travers une fibre optique et transporter des informations hors de l'environnement froid, sans altérer la fonctionnalité du circuit froid."

Les modulateurs optiques tels que le dispositif créé par Pintus et ses collègues permettent aux chercheurs de contrôler les propriétés des faisceaux lumineux, afin qu'ils puissent transférer des informations sous forme de signaux optiques. Ces modulateurs ont de nombreuses applications potentielles, permettant par exemple la transmission de codes binaires (un et zéro) sur de longues distances.

Le modulateur magnéto-optique créé par les chercheurs utilise un courant électrique pour générer un champ magnétique. Ce champ magnétique induit à son tour une modification des propriétés optiques d'un grenat synthétique où la lumière se propage.

"Le mécanisme qui sous-tend notre modulateur est analogue à un guitariste qui modifie la rigidité des cordes pour jouer un son différent", a déclaré Pintus. "Dans notre cas, le champ magnétique contrôle la densité optique du milieu où la lumière se déplace, de sorte que lorsque la lumière peut se propager, nous obtenons un '1', et lorsque la lumière est atténuée, nous avons un '0'. "

Lors des premières évaluations, le modulateur magnéto-optique créé par Pintus et ses collègues a obtenu des résultats très prometteurs. Plus particulièrement, il atteignait une vitesse de modulation relativement rapide (quelques gigabits par seconde) et pouvait fonctionner à des températures aussi basses que 4 K (-269,15 ° Celsius).

"Il s'agit du composant clé pour permettre un taux de transfert de données élevé et économe en énergie à partir de circuits supraconducteurs, fonctionnant à l'intérieur d'un cryostat à basse température et à température ambiante", a déclaré Pintus. "Normalement, les modulateurs optiques sont basés sur quelques effets électro-optiques, où un champ électrique modifie la propriété optique du matériau où se propage la lumière. L'effet magnéto-optique que nous avons utilisé, en revanche, est un effet double , où un champ magnétique modifie la propriété optique d'un support."

Bien que l'effet magnéto-optique soit bien connu et largement étudié, Pintus et ses collègues ont été parmi les rares à avoir étudié sa valeur potentielle pour la création de modulateurs. Ce domaine n'avait pas été beaucoup exploré auparavant, car la fabrication de dispositifs magnéto-optiques intégrés et l'application de champs magnétiques variant rapidement dans le temps peuvent être très difficiles. De plus, l'effet magnéto-optique a tendance à être associé à des temps de réponse nettement plus lents que les effets électro-optiques.

"Le nôtre est la première preuve de concept d'un modulateur à grande vitesse basé sur un effet magnéto-optique", a déclaré Pintus. "Avec ce modulateur, nous démontrons un élément clé pour permettre une communication efficace entre l'environnement cryogénique et l'électronique à température ambiante à l'aide de fibres optiques. Par rapport aux modulateurs cryogéniques (électro-optiques) précédents, notre solution proposée a une structure très simple et est compatible avec des circuits supraconducteurs, car l'impédance électrique d'entrée est très faible."

Les performances prometteuses et la nature cryogénique du modulateur des chercheurs le rendent approprié pour connecter l'électronique standard (à température ambiante) à l'architecture cryogénique supraconductrice et informatique quantique. À l'avenir, cette étude récente pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches axées sur les matériaux magnéto-optiques pour la modulation optique et sur leurs applications informatiques potentielles.

"Dans nos travaux, nous avons démontré un taux de modulation de 2 Gigabits par seconde avec une consommation d'énergie inférieure à 4 picojoules par bit d'informations transférées, qui pourrait être réduite de 80 fois (inférieure à 50 femtojoules par bit) en optimisant la processus de fabrication dans le même système de matériaux », a ajouté Pintus. "Bien que cette performance soit impressionnante, nous pensons qu'il y a beaucoup de place pour de nouvelles améliorations. Dans nos prochains travaux, nous aimerions explorer d'autres matériaux pour obtenir un taux de modulation plus élevé et une consommation d'énergie plus faible. Le domaine des matériaux magnéto-optiques cryogéniques est un domaine inexploré et il faudra plus d'investigations pour affiner les matériaux les plus prometteurs." + Explorer plus loin

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