Чип, который сможет замедлять свет: зачем ученые управляют движением фотонов?

С детства нам говорят, что быстрее света ничего не существует.

Скорость света в вакууме — одна из фундаментальных физических констант, изменить которую невозможно. Но тогда зачем инженеры по всему миру пытаются замедлять свет? Ответ оказался гораздо интереснее, чем может показаться.

В июле 2026 года исследователи из Сеульского национального университета и Университета Сеула представили архитектуру программируемой фотонной микросхемы, которая должна позволить управлять распространением света внутри устройства. Физического прототипа пока нет: работу схемы ученые проверили с помощью численного моделирования и трехмерных электромагнитных симуляций. Расчеты показали, что параметры задержки и прохождения светового сигнала можно изменять в реальном времени без перепроектирования всей микросхемы. По мнению авторов исследования, в будущем такая технология может найти применение в фотонных компьютерах, системах связи и энергоэффективной инфраструктуре для искусственного интеллекта.

Свет оказался слишком быстрым

На первый взгляд это звучит странно. Разве высокая скорость света — не безусловное преимущество? На практике оказывается, что не всегда.

Сегодня практически вся информация внутри компьютеров передается с помощью электрических сигналов. Но чем мощнее становятся процессоры и дата-центры, тем больше энергии требуется для обмена данными между их компонентами. Электрические соединения нагревают микросхемы, создают помехи и постепенно становятся одним из главных ограничений дальнейшего роста производительности.

Поэтому инженеры все чаще обращаются к фотонам — частицам света. Они позволяют передавать большие объемы информации с высокой пропускной способностью и меньшими затратами энергии на каждый переданный бит. Благодаря этому фотонные соединения могут снизить потери энергии и тепловыделение при обмене данными между компонентами системы. Именно этот принцип уже используется в современных оптоволоконных линиях связи.

Однако здесь возникает неожиданная проблема. Иногда информацию нужно не просто передать максимально быстро, но и правильно синхронизировать. Представьте перекресток, по которому одновременно движутся сотни автомобилей со скоростью самолета. Без светофоров и системы регулирования движение быстро превратится в хаос.

Со световыми сигналами происходит нечто похожее. Если один сигнал приходит раньше другого даже на доли наносекунды, устройство может обработать информацию неправильно. Именно поэтому инженерам нужен так называемый медленный свет — не нарушение законов физики, а возможность точно контролировать время прохождения светового сигнала через микросхему.

Как вообще можно замедлить свет?

Скорость света в вакууме действительно остается неизменной и составляет около 300 тысяч километров в секунду. Согласно специальной теории относительности, ни один объект, обладающий массой, не может разогнаться быстрее этого предела.

Но внутри материалов свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Например, в стекле или оптоволокне его скорость снижается примерно на треть. Физики давно используют этот эффект, однако точно и программируемо управлять задержкой света внутри компактной микросхемы гораздо сложнее.

Именно эту задачу и пытаются решить разработчики новой архитектуры. Предложенная ими фотонная структура должна позволить изменять характеристики прохождения светового сигнала в зависимости от конкретной задачи. Проще говоря, одна и та же микросхема сможет не только пропускать свет, но и при необходимости ненадолго задерживать его, чтобы синхронизировать обработку информации.

Речь идет не о том, что отдельные фотоны буквально останавливаются внутри устройства. Ученые управляют так называемой групповой скоростью — скоростью, с которой через систему распространяется световой импульс и переносимая им информация. Для обычного пользователя задержка будет практически незаметна, однако для будущих фотонных процессоров возможность точно контролировать такие интервалы может стать одним из ключевых элементов архитектуры.

Где такая технология может пригодиться

Пока речь идет не о готовом чипе, а о новой архитектуре, работу которой исследователи подтвердили с помощью компьютерного моделирования. Следующим этапом должно стать изготовление физического прототипа и его экспериментальная проверка. Тем не менее интерес к подобным разработкам огромен, поскольку они направлены на решение проблемы, с которой традиционная электроника сталкивается уже сегодня.

Каждый запрос к нейросети, видеозвонок или поиск в интернете проходит через дата-центры. Внутри них непрерывно перемещаются колоссальные объемы информации. Чем сложнее становятся вычисления, тем больше энергии требуется для передачи данных между процессорами, ускорителями и модулями памяти. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2030 году мировое потребление электроэнергии дата-центрами может увеличиться примерно вдвое — во многом из-за стремительного развития искусственного интеллекта.

Именно поэтому крупные технологические компании уже несколько лет инвестируют в фотонные вычисления. Свет способен передавать данные с высокой пропускной способностью и меньшим тепловыделением, чем традиционные электрические соединения. Однако для создания полноценного фотонного компьютера недостаточно просто заменить электроны фотонами. Необходимо научиться управлять светом так же точно, как современные инженеры управляют электрическим током.

Предложенная программируемая архитектура стала еще одним шагом в этом направлении. Ранее многие фотонные схемы проектировались под одну конкретную задачу, а изменить их характеристики после производства было крайне сложно. Теперь исследователи показали с помощью моделирования, что параметры распространения света можно будет перенастраивать уже во время работы устройства. В перспективе это может сделать фотонные системы значительно более гибкими и приблизить их к универсальным вычислительным платформам.

Но искусственный интеллект — далеко не единственная возможная сфера применения. Подобные технологии могут повысить пропускную способность, гибкость и точность синхронизации сигналов в оптоволоконных сетях. Они также интересны разработчикам квантовых компьютеров, где фотоны считаются одним из наиболее перспективных носителей квантовой информации. Чем точнее ученые смогут контролировать их движение и взаимодействие, тем стабильнее потенциально будут работать будущие квантовые устройства.

Кроме того, фотонные микросхемы открывают возможности для создания более точных датчиков. Уже сегодня свет используется в лидарных системах беспилотных автомобилей, медицинском оборудовании и высокоточных измерительных приборах. Если инженеры научатся еще точнее контролировать световые импульсы, такие устройства смогут стать компактнее, быстрее и чувствительнее.

До фотонного компьютера еще далеко

Ждать технологической революции в ближайшее время все же не стоит. Новая архитектура не означает, что традиционная электроника вскоре исчезнет, а все компьютеры перейдут на свет. Пока разработка находится на раннем этапе: исследователям еще предстоит изготовить физический прототип, подтвердить результаты моделирования в реальном эксперименте и доказать, что устройство может стабильно работать за пределами лаборатории.

Даже после этого инженерам придется решить множество практических задач. Подобные микросхемы необходимо научиться производить массово, сделать их достаточно надежными и доступными, а также интегрировать фотонные компоненты с уже существующими электронными процессорами и системами памяти.

Скорее всего, в ближайшие годы будут развиваться гибридные системы, в которых электроника и фотоника работают вместе. Электронные компоненты продолжат выполнять многие логические операции и вычисления, а фотоны возьмут на себя передачу самых больших потоков данных между отдельными частями системы.

Так уже происходило в истории технологий. Оптоволокно не вытеснило электрические кабели полностью, но радикально изменило интернет, сделав возможной передачу огромных объемов информации на тысячи километров. Возможно, похожую роль фотонные технологии однажды сыграют и внутри компьютеров: они не заменят электронику целиком, но помогут устранить одно из главных ограничений дальнейшего роста вычислительной мощности.