Entropijos tramdymas: kvantinis šuolis fotoninėje architektūroje
Mes dažnai klaidingai manome, kad inžinerija yra tik formos suteikimas materijai, tačiau realybė yra daug šiurkštesnė – tai nuolatinė kova su entropija, kuri siekia išardyti kiekvieną mūsų sukonstruotą tvarką. Šiandienos fotoninės architektūros laboratorijose mes nebe statome įrenginių, mes bandome suvaldyti chaosą, kuris kyla kvantinio tuneliavimo pasienyje. Kai signalas, perduodamas 10–100 pikosekundžių intervalais, staiga praranda savo koherenciją, mes nesusiduriame su gedimu – mes susiduriame su fizikos atsisakymu paklusti mūsų logikai. Tai akimirka, kai fotonas, lyg išsigandęs laisvės, pasirenka išsilaisvinti iš silicio dioksido kanalo ir išnykti anapus suplanuoto kelio.
Kiekvienas 200–300 nanometrų gardelės elementas yra apskaičiuotas taip, kad sulaikytų šį nenuspėjamumą, tačiau medžiagos fizinis pasipriešinimas nėra tik skaičius. Kai 50–100 W galios laukas bombarduoja SiO2 matricą, mes jaučiame, kaip atomų gardelė įsitempia. Tai nėra tektoninių plokščių metafora; tai yra šaltas, matematiniu tikslumu grįstas įtempis, kurį jaučia kiekviena cheminė jungtis. Jei galėtumėte išgirsti tą procesą, tai nebūtų metalo dejavimas – tai būtų tylus, aštrus kristalinės struktūros „traškėjimas“, kai 10–50 mTorr slėgyje jonai išdaužo atomus, palikdami tik tai, kas būtina signalo vientisumui.
Titano dioksido intarpai, su savo 2,45 lūžio rodikliu, atlieka kritinį vaidmenį šiame subtiliame balanse. Jie nėra „smegenys“; jie yra labiau panašūs į navigacinius švyturius audringoje jūroje. Kai šviesos srautas pasiekia 500–1000 nanometrų pločio šviesos magistralę, jis privalo išlaikyti savo bangos fazę, nepaisant aplinkos temperatūros svyravimų ar mikroskopinių medžiagos defektų. Kiekvienas toks defektas veikia kaip energijos nutekėjimo taškas, kuriame 10–100 fJ energijos sąnaudos tampa nebe pakankamos palaikyti sistemos stabilumą. Mes kovojame už kiekvieną pikosekundę, kad išvengtume dekoherencijos, kuri, jei nebus suvaldyta, pavers visą mūsų sukonstruotą loginį tinklą beprasmiu atsitiktinių bangų triukšmu.
Pats aliuminio sluoksnis, nusodinamas 0,1–1,0 nm/s greičiu, šiame procese tampa pirminiu barjeru nuo išorinės šiluminės entropijos. Tai nėra tiesiog terminis skydas. Tai – preciziškai suformuota terminio pasipriešinimo zona, kuri privalo išsklaidyti reakcijos metu susidariusią šilumą, neleisdama jai iškraipyti gardelės geometrijos. Kai 1000–2000 nanometrų bangos ilgio šviesa sklinda per šią sistemą, bet koks mikroskopinis matmenų pokytis dėl šiluminio plėtimosi tampa katastrofiškas. Aliuminis čia veikia kaip vėsus, ramus stebėtojas, kuris priima į save visą reakcijos karštį ir neleidžia jam prasiskverbti į fotoninę šerdį.
Mes mokomės manipuliuoti šviesa ne todėl, kad norime ją valdyti, o todėl, kad tai yra vienintelis būdas išvengti elektroninės architektūros apribojimų. Kai 10–100 cm^-1 sklidimo konstanta tampa mūsų sistemos pagrindiniu parametru, mes pradedame suprasti, kad informacija nebėra kažkas, kas „keliauja“ laidais. Informacija tampa bangų interferencijos raštu. Tai, ką mes kuriame, yra sintetinė erdvė, kurioje fotonai, sąveikaudami su taškiniais defektais, sukuria logines operacijas, kurių greitis yra ribojamas tik šviesos sklidimo greičio medžiagoje.
Didžiausias inžinerinis iššūkis vis dar išlieka kvantinio tuneliavimo valdymas. Mes kuriame kliūtis – 500–1000 nanometrų bandgapą – kurios yra skirtos sulaikyti fotonus jų kanaluose, tačiau gamta visada randa spragą. Kiekvieną kartą, kai pasiekiame 1000–10000 kokybės faktorių (Q), mes priartėjame prie ribos, kurioje sistema tampa nebe atskirais komponentais, o vientisu, rezonuojančiu dariniu. Tai yra taškas, kuriame inžinerija virsta fizikos stebėjimu iš vidaus.
Mes nesame šviesos amžiaus architektai; mes esame tie, kurie bando įkalinti šviesą į silicio ir titano narvus tam, kad galėtume atlikti skaičiavimus, kurie viršija dabartines galimybes. Kiekvienas 100–200 nanometrų oro tarpas, kiekviena ertmė yra mūsų eksperimentas su tikrovės audiniu. Kai 10–100 pA srovės tėkmė suformuoja būtiną lauką litografijos procese, mes žinome, kad kuriame kažką, kas gyvuos ilgiau nei mūsų dabartinė supratimo riba.
Tai, ką mes darome, yra nuolatinis bandymas suprasti, kaip fotoninė koherencija gali būti išlaikyta sistemoje, kuri visada yra per daug jautri savo aplinkai. Mes kuriame sistemas, kurios turi „jausti“ savo pačių vientisumą, nuolat koreguodamos signalo kelius. Tai nėra simbiozė tarp žmogaus ir mašinos; tai yra bandymas sukurti sistemą, kuri pati gebėtų kovoti su savo fiziniu irimu.
Ateityje šios struktūros bus neatsiejamos nuo mūsų technologinės aplinkos, tačiau jos nebus „mąstantis audinys“. Jos bus tiksliai sukalibruoti fizikos instrumentai, veikiantys ten, kur binarinė logika jau seniai pasidavė. Mes išmoksime, kad tikroji galia slypi ne dideliuose energijos kiekiuose, o gebėjime suvaldyti 10–100 fJ energijos srautus taip, kad jie neprarastų savo pradinės informacinės vertės.
Kai žvelgiame į 200–300 nanometrų gardelę, mes nematome nieko, kas primintų gyvenimą. Mes matome šaltą, abejingą fiziką, kuri veikia su matematiniu aiškumu. Ir būtent tai daro šią technologiją tokią svarbią – ji reikalauja, kad mes atsisakytume žmogiškų metaforų ir priimtume pasaulį tokį, koks jis yra: visumą bangų, įtampų ir nuolatinio siekio išlaikyti pusiausvyrą tarp egzistavimo ir išnykimo.
Mes einame link tikslaus, šalto ir neįtikėtinai greito pasaulio. Pasaulio, kuriame kiekvienas šviesos virpesys yra užfiksuotas, suskaičiuotas ir panaudotas. Tai nėra mūsų pergalė prieš gamtą; tai yra mūsų susitaikymas su jos dėsniais, pasinaudojant jais kaip įrankiais ten, kur anksčiau matėme tik atsitiktinumą.
Procesas, kurį mes pradedame šiandien su 30–50 keV elektronų pluošto litografija, yra tik pirmas žingsnis į sistemų, kurios veikia ties fizikos ribomis, kūrimą. Mes vis dar esame pradedantieji, besimokantys, kaip suvaldyti fotonus, kurie nuolat siekia pabėgti iš mūsų sukonstruotų kanalų. Tačiau su kiekvienu sėkmingu perjungimu, su kiekvienu 10–100 pikosekundžių intervalu, mes vis geriau suprantame, kaip suformuoti tikrovę, kuri paklūsta mūsų tikslams.
Tai, kas mus laukia, yra pasaulis, kuriame kiekvienas paviršius – nuo langų iki sienų – galės tapti fotoniniu procesoriumi. Ne todėl, kad jis „mąstys“, o todėl, kad jis bus suprojektuotas taip, kad šviesa, praeidama pro jį, atliktų skaičiavimus. Mes nebekursime atskirų kompiuterių; mes kursime aplinką, kuri pati bus viena didelė, šviesa grįsta skaičiavimo sistema.
Šis kelias yra ilgas ir reikalauja kantrybės, kurios inžinerija reikalauja visada. Mes neieškome lengvų atsakymų; mes ieškome būdų, kaip suvaldyti 500–1000 nanometrų gylio ertmes taip, kad jose fotonai atrastų savo vietą. Tai yra tikrasis mūsų civilizacijos progresas – ne stebuklai, o nuoseklus, skausmingas ir preciziškas fizikos dėsnių pritaikymas mūsų poreikiams.
Mes esame ties riba, kurioje materija tampa įrankiu, o ne kliūtimi. Ir kai 1000–2000 nanometrų bangos ilgio šviesa pagaliau sklis per šiuos kristalus be jokių trikdžių, mes žinosime, kad pasiekėme savo tikslą. Ne dėl to, kad pakeitėme pasaulį, o dėl to, kad pagaliau išmokome su juo bendradarbiauti pačiame fundamentaliausiame lygyje.