Generátor exciton-polaritonů. Kredit: Zhi Wang.

Na úsvitu éry elektronických počítačů využili Presper Eckert a John Mauchly z Pensylvánské univerzity pro první univerzální elektronický počítač na světě ENIAC elektrony k řešení složitých numerických úloh. Dodnes funguje většina běžné výpočetní techniky na stejné architektuře.

Problém je že elektrony již narážejí na své limity. Kvůli elektrickému náboji ztrácejí energii ve formě tepla, při pohybu materiálem čelí odporu a s rostoucím počtem tranzistorů na čipech i stále většími objemy dat je jejich využití čím dál obtížnější.

Bo Zhen. Kredit: University of Pensylvania.

Bo Zhen z Pensylvánské univerzity a jeho kolegové proto hledají způsob, jak část této zátěže přenést z elektronů na jejich nehmotné protějšky, fotony. Jde o to, že když jsou fotony elektricky neutrální a mají nulovou klidovou hmotnost, dokážou přenášet informaci na velké vzdálenosti, velmi rychle a s minimálními ztrátami. Netečnost a neutralita fotonů, ale současně znamená, že se příliš nehodí pro logické přepínání signálů, na kterém jsou počítače závislé.

Zhenův tým vytvořil kvazičástice exciton-polaritony, které kombinují rychlost světla s interakcemi hmoty. Tyto kvazičástice vznikají propojením fotonů s elektrony v extrémně tenkém polovodiči. Excitony jsou vázané stavy elektronu a kladně nabité díry, zatímco polaritony jsou kvazičástice vznikající silnou vazbou mezi elektromagnetickým polem a excitovanými stavy hmoty.

Logo. Kredit: University of Pensylvania.

Díky tomuto spojení může světlo interagovat dostatečně silně na to, aby umožnilo přepínání signálů nezbytné pro výpočty.

Mnoho fotonických AI čipů už dnes dokáže pomocí světla provádět jednoduché výpočty. Při složitějších výpočtech ale musejí světelné signály převádět zpět na pomalejší a energeticky náročnější elektronické signály, což snižuje rychlost i efektivitu fotonických výpočtů. Pomocí exciton-polaritonů ale lze přepínat čistě opticky při spotřebě jen mimořádně malého množství energie.

Pokud se povede tuto technologii dotáhnout do konce, mohla by umožnit fotonickým čipům zpracovávat světlo přímo z kamer, snížit drakonické energetické nároky masivních systémů umělé inteligence a otevřít cestu ke kvantovým počítačům integrovaných přímo na čipech.

Video: What are excitons?

Literatura

Penn Today 24. 4. 2026.

Physical Review Letters 136. 146901.