Leer het licht te programmeren en je kunt de toekomstige PC- en telecommunicatie-markten beheersen. Iets dergelijks moet in het brein van prof. dr. Sajeev John hebben rondgetold toen hij begon na te denken over een methode om laserlicht te vangen en te bevriezen. Ongetwijfeld zal er een Archimedes-waardig ‘eureka’ achteraan zijn gekomen, toen zijn team dat ook werkelijk gelukt was.
Sajeev John is theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Toronto in Canada en onderzoekt al sinds 1984 mogelijkheden om licht te vangen. Zijn bazen en financiers, maar ook hijzelf, hebben sindsdien geen mogelijkheid onbenut gelaten het van de toren te blazen: we hebben een methode gevonden om licht en atomen te gebruiken als vervangers van elektronen en transistors in computer-chips. PC’s en mobiele telefoons zullen over enkele jaren werken op basis van atoomreacties.
Lang is gezocht naar een materiaal dat licht kan manipuleren zoals de huidige computer-chips dat doen met elektronen. Met licht kan informatie immers op lichtsnelheid worden uitgewisseld, en sneller bestaat niet – voor zover we nu weten.
Licht is echter veel moeilijker te besturen dan elektronen. Het wordt te gemakkelijk verstrooid. De oplossing is gevonden in silicium, glas en opaalkristallen. John ontwikkelde een theoretische plattegrond en een recept, en ging op zoek naar collega-wetenschappers om deze concepten om te zetten in een tastbaar product.
Rooster
Het resultaat was een blokje silicium waarin laserlicht daadwerkelijk wordt gevangen; een kooitje waarin men dat licht naar believen kanten kan opsturen en atomen aan of uit kan zetten. Eigenlijk op dezelfde manier zoals de huidige halfgeleider-microchips dat doen met elektronen maar dan met licht en op atoom-niveau.
Het team van John goot silicium in een bakje dat gevuld was met glazen balletjes. Vervolgens werden die ballen met een zuur opgelost. Daardoor ontstond een driedimensionaal rooster van bolvormige gaten. Op de wanden daarvan werd een laagje opaalkristallen aangebracht. Daarin geboorde gaatjes, fungeren als kanaaltjes waarlangs het laserlicht gestuurd wordt. Onder invloed van een zwak elektrisch veld veranderen de licht-verstrooiende eigenschappen van die kristallen. Zo kunnen in dit rooster lichtpaden worden gemaakt. Resultaat is dat laserlicht op een gecontroleerde manier een vooraf gewenst pad kan volgen, om zo atomen ‘aan’ en ‘uit’ te zetten en te kunnen schakelen. Binnen zo’n specifieke omgeving blijkt het mogelijk om licht te manipuleren en te programmeren. Microlasers kunnen hierin dus, zonder spiegels te gebruiken, ultrasnel moduleren en schakelen voor toepassing in hogesnelheids-datatransport en -gegevensverwerking.
De ruimte tussen de gaten is slechts 1,5 micrometer (microns, waarvan er een miljoen in een meter gaan) en moet voor nagenoeg honderd procent gevuld zijn met silicium om voor de benodigde isolatie en halfgeleiding te kunnen zorgen. Voorwaar een precisie-klusjes dus. Maar gevolg is wel dat ieder atoom zijn eigen plaatselijke elektromagnetische straling creëert. Opaalkristal heeft volgens Sajeev John de eigenschap dat het de wetten van elektromagnetisme uitschakelt boven een bepaald frequentiegebied. Zolang dat niet het geval is, zal het licht elke richting opgaan waar het zin in heeft.
Voordelen
Zolang het data-licht dezelfde golflengtes heeft als de lasers in de glasvezelkabel, dan zijn de voordelen met deze lichtchips enorm. Maar er moet nog wel wat veranderen.
Momenteel verloopt het hoofdtransport van informatiebits met lasers door glasvezelkabels. Het laatste stuk naar de computers en de telecommunicatie-apparatuur gaat meestal nog met de oude vertrouwde koperen draden. En natuurlijk werken de apparaten zelf met elektronen-chips. Voordat data naar elders verstuurd kan worden, moet er dus nog een omzetting plaatsvinden van elektronen-strengen naar laser-pulsen. Bij de ontvangende partij vindt eveneens een omzetting plaats, maar dan andersom: daar moet de laser omgezet worden in elektronen. Het weglaten van die dubbele vertaalslag kan uiteraard een grote snelheidswinst opleveren. Bovendien kan die traditionele elektronen-stroom het tempo van de optische stroom van de glasvezelkabel met geen mogelijkheid bijhouden. Met de aankomende optische chips wordt hier dus het grootste profijt behaald.
Maar daar blijft het niet bij. Licht-pulsen hinderen elkaar niet zoals elektrische stromen dat kunnen doen. Lichtsignalen kunnen dicht op elkaar gepakt worden en zelfs door elkaar heen stralen. Op microchip-niveau maakt dat kleinere circuits en hogere snelheden mogelijk. Want dat gevaar van hindering maakt verdere verkleining van de huidige microprocessors haast onmogelijk. De elektronen zijn dan bijna niet meer in hun eigen paden te houden, zo dicht lopen die langs elkaar heen.
Verder warmt laserlicht de microprocessor nauwelijks op. Hitte speelt de huidige chips danig parten. Het zorgt voor vertraging, maakt gebruik van koelelementen en lawaaierige ventilatoren noodzakelijk. Omdat er bij het produceren van lichtchips minder onderdelen ingeëtst hoeven te worden, zullen de productiekosten aanzienlijk lager liggen, een centenkwestie.
Volgens de Canadese wetenschappers komt nu ook de weg beschikbaar naar computers met neurale architectuur. De computer-geheugens kunnen echt gaan lijken op het menselijke brein. Het is onbekend hoe ver weg de horizon van de mogelijkheden is, mijmerde dr. Sajeev John. Met je computer praten alsof het een andere persoon is, zal gemeengoed worden. De daarvoor benodigde snelheid kan met optische chips worden bereikt.
Internationaal
John kon zijn ideeën verwezenlijkt krijgen dankzij de, figuurlijk gesproken, alsmaar kleiner wordende wetenschappelijke wereld. Je kent mekaar, je wisselt contacten uit, je bezoekt elkaars laboratoria. Zo kwam de theoretisch fysicus terecht in Spanje, bij een materialen-instituut in Madrid en de polytechnische universiteit van Valencia. Zij bleken de beste opaal-sjablonen van de wereld te kunnen maken, alleen niet klein genoeg. Maar zij kenden een materiaal-chemicus die dat wel kon: prof. dr. Geoffrey Ozin, een van Johns collega’s van de Universiteit van Toronto.
De drie partijen zetten een projectgroep op met steun van het Canadese instituut voor fundamenteel onderzoek Ciar, een semi-overheidsinstelling die stimuleert, coördineert en financiert. Het heeft er zelfs voor gezorgd dat John en Ozin voor Toronto behouden konden worden.
Over een aantal jaren bestaat het hart van de computer uit een blokje silicium gevuld met kristallen en lucht, aangestuurd door microlasers, schakelend op atoom-niveau. Schakeltijden van een biljoen maal per seconde zijn mogelijk. Een volledig optisch systeem kan vele duizenden megabytes per seconde over netwerken jagen. Winkelen, tv-kijken en research doen via Internet is dan echt interessant.
