منظومة مبتكرة للحوسبة المبنية على الضوء كليًا

طُورت منصة جديدة للحوسبة المبنية على الضوء كليًا -ما يعني أن عمليات الحوسبة تتم فقط باستخدام أشعة الضوء- من قبل باحثين من كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) بالتعاون مع باحثين من جامعة مكماستر McMaster University وجامعة بيتسبرغ University of Pittsburgh.

تصور نظري لأشعة ضوئية (صورة إلكترونية). حقوق الصورة: © Sozh / Adobe Stock مستقبل الحوسبة «مشرق» مجازيًا وحرفيًا

قال آموس ميكس Amos Meeks وهو طالب دراسات عليا في SEAS وأول مؤلف مشارك للبحث: «معظم عمليات الحوسبة حاليًا تتطلب مواد صلبة لإتمامها مثل الأسلاك المعدنية وأشباه الموصلات والصمامات الإلكترونية الضوئية (دايودات) photodiodes لجمع الإلكترونيات بالضوء. هدف الحوسبة الضوئية الكاملة هو إزالة تلك المكونات الصلبة والتحكم بالضوء بواسطة الضوء، ويهدف ذلك إلى عدة أشياء منها مثلًا روبوتات برمجية تمامًا عديمة الدارات تغذيها أشعة الشمس».

تعتمد هذه المنصات على ما يسمى بالمواد غير الخطية non-linear materials التي تغير معامل الانكسار بالاستجابة لشدة الضوء وعندما يسلط الضوء عبر هذه المواد يزداد معامل الانكسار ضمن مسار تلك الحزمة الضوئية؛ ما يؤدي إلى إنشاء أنبوب ناقل خاص بها مصنوع من الضوء، وتتطلب حاليًا معظم المواد غير الخطية أشعة ليزر عالية الطاقة أو تغير دائم عبر انتقال الضوء.

طور الباحثون مادةً جديدةً جوهريًا تستخدم قابلية الانتفاخ والتقلص العكوسيين لهلام مائي (هيدروجيل) يخضع لليزر منخفض الطاقة وذلك لتغيير معامل الانكسار.

يتشكل الهيدروجيل من شبكة متعددة الجزيئات (بوليمرية) منتفخة بالماء كالإسفنج وعدد صغير من الجزيئات المستجيبة للضوء المعروفة باسم سبيروبيران spiropyran (الذي يشبه الجزيء المستخدم في صباغ عدسات النظارات الشمسية). عندما يسلط الضوء عبر الهيدروجيل تتقلص قليلًا المنطقة الواقعة تحت الضوء، مركزةً بذلك البوليمر، ومغيرةً بذلك معامل الانكسار، وعند إطفاء الضوء، يعود الهيدروجيل إلى حالته الأصلية.

عندما تسلط حزم متعددة عبر المادة، فإنها تتفاعل وتؤثر على بعضها حتى لو كانت على مسافات كبيرة من بعضها، ويمكن للشعاع «أ» أن يلغي الشعاع «ب»، وعلى العكس يمكن للشعاع «ب» أن يلغي الشعاع «أ»، أو يمكن لكليهما أن يلغيا بعضهما أو أن يمرا مشكليْن بذلك دارة شرطيةً ضوئيةً optical logic gate.

قال كاليشيلفي سارافاناموتو Kalaichelvi Saravanamuttu وهو أستاذ مساعد للكيمياء وعلم الأحياء الكيميائي في مكماستر، وكبير مؤلفين مشارك للدراسة: «على الرغم من أنها منفصلة، ما تزال الأشعة ترافق بعضها وتتغير نتيجة لذلك. على المدى الطويل، يمكننا أن نتوقع أن تصمم عمليات الحوسبة باستخدام قابلية الاستجابة الذكية تلك».

قال المؤلف المشارك ديريك موريم Derek Morim وهو طالب دراسات عليا في مختبر سارافاناموتو: «لا يقتصر الأمر على إمكانية تصميم مواد مستجيبة للضوء تغير خصائصها الضوئية والكيميائية والفيزيائية بشكل عكوس عند وجود ضوء، بل يمكننا أيضًا استخدام هذه التغييرات لإنشاء قنوات من الضوء أو أشعة محصورة ذاتيًا يمكنها توجيه الضوء والتحكم به».

قالت جوانا آيزنبرغ Joanna Aizenberg وهي أستاذة علم المواد في إيمي سميث بريلسون Amy Smith Berylson في SEAS وكبيرة المؤلفين المشاركة للدراسة: «علم المواد يتغير؛ فالمواد ذاتية التنظيم والقابلة للتكيف والقادرة على تحسين خصائصها بالاستجابة للمحيط تحل محل نظيراتها الثابتة وغير الفعالة للطاقة وغير ذاتية التنظيم. وتعَد موادنا ذات الاستجابة العكوسة -التي تتحكم بالضوء عند المستويات الصغيرة بشكل استثنائي- دليلًا آخر على هذه الثورة التقنية الواعدة».

نشر هذا البحث في دورية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم Proceedings of the National Academy of Sciences وشارك في تأليفه كل من أنكيتا شاستري Ankita Shastri وأندي تران Andy Tran وآنا شنايدمان Anna V. Shneidman وفيكتور ياشين Victor V. Yashin وفريحة محمود Fariha Mahmood وآنا بالازس Anna C. Balazs ودُعم جزئيًا من قبل مكتب أبحاث الجيش الأمريكي US Army Research Office بموجب المنحة W911NF-17-1-0351 وأيضًا من قبل مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة Natural Sciences and Engineering Research Council والمؤسسة الكندية للابتكار Canadian Foundation for Innovation.

المصدر