Une équipe de recherche de l’Université de Pennsylvanie aux États-Unis a surmonté un obstacle clé dans le domaine du calcul photonique : elle a créé une particule hybride lumière-matière capable d’effectuer des calculs, réalisant pour la première fois la commutation de signaux entièrement optique nécessaire au calcul. Cette percée pose les bases physiques pour les futures puces d’IA à très haute vitesse et à faible consommation d’énergie, voire pour les puces de calcul quantique. L’article de recherche correspondant a été publié dans le dernier numéro de la revue Physical Review Letters.
Les photons dominent les communications modernes grâce à leur vitesse élevée et leurs faibles pertes, mais leur faible capacité d’interaction a toujours été un point faible pour les applications de calcul. Cette étude surmonte cet obstacle clé en couplant fortement la lumière avec les électrons d’un matériau semi-conducteur d’épaisseur atomique, formant des particules hybrides appelées « excitons-polaritons ». Ces particules possèdent à la fois les propriétés de propagation à grande vitesse de la lumière et la forte capacité d’interaction de la matière, ce qui permet de pallier l’incapacité des photons traditionnels à effectuer des opérations logiques.
L’équipe de recherche a démontré expérimentalement un commutateur entièrement optique basé sur les excitons-polaritons, dont la consommation d’énergie par commutation n’est que d’environ 4 femtojoules (4×10-15 joules), soit une dépense énergétique extrêmement faible. Cette percée revêt une importance particulière pour le développement du matériel d’IA. Actuellement, bien que la plupart des puces d’IA photoniques puissent effectuer des calculs linéaires avec la lumière, elles doivent encore reconvertir les signaux optiques en signaux électroniques lors des étapes décisionnelles clés, comme l’exécution de fonctions d’activation non linéaires. Ce processus de conversion répété limite sérieusement les avantages du calcul photonique en termes de vitesse et d’efficacité énergétique. La nouvelle approche promet de réaliser un calcul photonique de bout en bout, de l’entrée optique au traitement optique, évitant ainsi les pertes liées à la conversion des signaux.
Actuellement, avec la croissance explosive de la demande de puissance de calcul pour l’IA, les limites physiques des composants électroniques deviennent de plus en plus évidentes : les électrons, porteurs de charge, génèrent résistance et chaleur, et l’intégration à haute densité ainsi que le traitement des données massives se heurtent à des défis de consommation d’énergie et de dissipation thermique. Les photons, partenaires sans masse et électriquement neutres des électrons, dominent déjà le domaine des communications, mais leur très faible interaction avec l’environnement a longtemps entravé leur application dans la logique de calcul.
Cette fois, le travail de l’équipe vise précisément à franchir ce goulot d’étranglement. En combinant une cavité optique à l’échelle nanométrique avec un matériau semi-conducteur d’épaisseur atomique, ils ont provoqué une forte interaction entre la lumière et la matière, générant des quasi-particules exciton-polaritons capables d’effectuer les opérations de commutation de signal nécessaires au calcul.
Si cette technologie parvient à être mise à l’échelle avec succès, elle permettra aux puces de calcul de traiter directement les signaux optiques provenant de capteurs tels que les caméras, réduisant considérablement la consommation d’énergie des grands systèmes d’IA, et offrira une voie possible pour réaliser des opérations de calcul quantique de base sur puce.