احتمالا فیزیک دانان بزرگ‌ترین مانع دستیابی به رایانه‌ های نوری را از میان برداشته‌اند

جایگزین کردن الکترون‌ها با ذرات نور (فوتون‌ها) در میکروپردازنده‌ها، تنها به رایانه‌هایی با عملکردی چندین‌ هزار برابر سریع‌تر منتهی نخواهد شد؛ این موضوع باعث حل شدن یک مسئله‌ی بزرگ نیز خواهد شد.

این مسئله‌ که به von-Neumann bottleneck موسوم است، به این موضوع اشاره دارد که در صورت رسیدن به محدودیت سرعت تبادل اطلاعات با حافظه، توسعه‌ی پردازنده‌های الکترونی سریع‌تر، امری بیهوده خواهد بود. بنابراین با توجه به آنکه در حال رسیدن به محدودیت سرعت انتقال الکترون‌ها بین پردازنده و حافظه هستیم، به تجدید نظر در خصوص سیستم‌های کنونی نیاز داریم؛ در اینجا است که بحث ساخت رایانه‌های کوانتومی (جایگزینی بیت با کیوبیت) و رایانه‌های نوری (جایگزینی الکترون با فوتون)، اهمیت می‌یابد.

در حالیکه ممکن است ایده‌ی جایگزینی الکترون‌ها با فوتون‌ها ساده به نظر برسد، اما در حقیقت این فرایند بسیار پیچیده است. علیرغم آنکه استفاده از نور به جای الکتریسیته برای راه‌اندازی رایانه‌های کنونی می‌تواند در افزایش نرخ انتقال اطلاعات موثر باشد، با این وجود در تراشه‌های سیلیکونی برای قابل پردازش ساختن فوتون‌ها، باید مجددا آن‌ها را به الکترون تبدیل کرد.

این موضوع باعث کندتر شدن مجدد تمام فرآیندها می‌شود و سیستم نیز میزان بسیار زیادی از انرژی را در طول فرآیند تبدیل، تلف خواهد کرد؛ این موضوع باعث ناکارآمدی این روش نسبت به حالتی می‌شود که از الکترون برای راه‌اندازی رایانه استفاده می‌شد.

بنابراین ما نیاز به ساخت رایانه‌های جدیدتری داریم که قادر به استفاده از فوتون‌ها باشد. در حال حاضر شرکت‌هایی همچون IBM، اینتل، اچ پی و البته وزارت دفاع ایالات متحده‌ی آمریکا میلیاردها دلار صرف پژوهش در زمینه‌ی توسعه‌ی تراشه‌های اپتوالکترونیکی کرده‌اند. در این نوع از تراشه‌ها نیز پردازش به صورت الکترونیکی انجام می‌شود؛ اما انتقال اطلاعات توسط فوتون‌ها صورت می‌گیرد.

اگر یک میکروتراشه را از نزدیک مشاهده کنید، متوجه خواهید شد که در آن‌ها کانال‌های بسیار ریزی برای انتقال الکترون وجود دارد. مشکل اساسی در ساخت پردازنده‌ای سازگار با فوتون این است که انتقال نور در مجاورت خمیدگی‌ها بسیار دشوار است. اما راهکار مقابله با این مشکل، استفاده از اجزای پلاسمونیک است.

پتریک تاکر در وب‌سایت Defense One در این خصوص می گوید:

اجزای پلاسمونیک از مزایای برهم‌کنش‌های ارتعاشی منحصربفرد فوتون‌ها و الکترون‌ها بر روی سطوح فلزی بهره می‌برند.

اگرچه این موضوع بسیار جالب توجه است، اما باز هم فرآیند دستیابی به آن پیچیده است. یک موج نوری در حدود ۱۰۰۰ نانومتر است؛ این در حالیست که ما به ساخت ترانزیستورهایی به کوچکی ۱۰ نانومتر نزدیک شده‌ایم. بنابراین دو گزینه در پیش روی خود داریم: انتقال موج‌های نوری به همان صورت که هستند و از بین بردن یک عامل بهره‌وری با ساختن اجزای بزرگ‌تر، یا محدود کردن نور به موج‌های سطحی در مقیاس نانو موسوم به (Surface Plasmon Polariton (SSP.

ما در حال حاضر نیز قادر به انجام تمام این فرآیندها هستیم؛ اما در طول انجام آن‌ها، دمای اجزای پلاسمونیک در حدود ۱۰۰ کلوین افزایش یافته و این موضوع باعث از بین رفتن آن‌‌ها می‌شود. خنک نگه داشتن این اجزا به هیچ‌وجه کار ساده‌ای نیست.

تاکر در این مورد می‌گوید:

برای خنک نگه داشتن این اجزا نیاز به سیستم خنک‌کننده‌ای داریم که در مقیاس مهم‌ترین المان‌های تراشه‌ی فوتونی کار کند؛ یعنی ابعاد آن باید کمتر از یک بیلیونیوم متر باشد. این موضوع باعث می‌شود که بسیاری از افراد توسعه‌ی ترانزیستورهای کاملا نوری را حداقل برای چند دهه‌ی آینده امکان‌پذیر ندانند.

اما برای نخستین بار تیمی از پژوهشگران موسسه‌ی تحقیقاتی فیزیک و فناوری مسکو مدعی هستند که به راهکاری برای حل این مشکل دست یافته‌اند. گرما در زمان جذب شدن SPPها به فلز موجود در اجزای مختلف، تولید می‌شود. بنابراین پژوهشگران روسی ماده‌ای را موسوم به "مواد حرارتی میانی با عملکرد بالا" به داخل این اجزا تزریق کرده‌اند تا از آن‌ها در برابر فلز محافظت کنند.

این ماده‌ی میانی در حقیقت لایه‌هایی از مواد رسانای حرارتی است که با هدف کسب اطمینان از صحت فرآیند انتقال حرارت از تراشه، بین تراشه‌ی یاد شده و یک سیستم خنک کننده‌ی رایج قرار می‌گیرد. این تیم مدعی است که با استفاده از این روش، میزان افزایش حرارت تنها به ۱۰ درجه‌ی سلسیوس می‌رسد.

در حال حاضر پژوهشگران باید صحت عملکرد این روش را در یک سیستم رایانه‌ی کامل نیز به نمایش بگذارند. اواخر سال گذشته نیز پژوهشگران بریتانیایی به پیشرفت‌هایی در زمینه‌ی توسعه‌ی فناوری مربوط به ساخت رایانه‌های نوری دست یافتند. بنابراین به نظر می‌رسد پژوهش در این زمینه در حال بدل شدن به یک رقابت تنگاتنگ باشد.