לדברי החוקרים, טכנולוגיה פוטונית עשויה להאיר את הדרך למחשוב מן הדור החמישי.
מאת שלדון טייטלבאום
בשנות החמישים, כשהרעיון לשלב את הטלוויזיה והטלפון במערכת תקשורת דו־כיוונית נראה הגיוני מאוד מבחינה מסחרית, אנשים כינו את המכשירים האלה ״טלפוני תמונה״.
אף שמדי פעם אפשר היה לראות בירידים או בטלוויזיה כמה אבות טיפוס לא מרשימים במיוחד, הם מעולם לא הגיעו לשוק ההמוני. הסיבה הייתה שהכבלים שנשאו את תעבורת הטלפון במדינה לא יכלו להתמודד עם העומס שיצרו אותות וידאו ברזולוציה גבוהה מבית לבית. הנחת החיווט הדרוש הייתה עלולה לכלות את משאבי הנחושת בעולם, ובו בזמן להסתיר את השמיים או לחנוק את הקרקע ברשתות עבות של כבלים קואקסיאליים.
כיום עובדים חוקרים במרכז לטכנולוגיה פוטונית באוניברסיטת דרום קליפורניה, שהוקם לפני שמונה־עשר חודשים, באופן אינטנסיבי על טכנולוגיות גלי אור שעשויות להוביל הרבה מעבר לרעיון הפשוט של טלפוני וידאו ביתיים זולים, אל תחומים כמו תכנון מכונות המסוגלות לפרש תמונות חזותיות בתבונה.
או, קצת בהמשך הדרך, הם מדמיינים מחשבים אופטיים מתפקדים באמת, שיסתמכו על פוטונים נושאי אור במקום על האלקטרונים הטעונים המשמשים כיום במכונות דיגיטליות. מחשבים כאלה, הם מאמינים, עשויים לייתר במהירות את הניסיון היפני המתמשך להשיג עליונות במחשוב באמצעות פיתוח מערכת ״דור חמישי״.
החוקר סטיבן ר׳ פורסט, שעזב בשנה שעברה את מעבדות בל כדי להצטרף לסגל בית הספר להנדסה, מבלה לאחרונה חלק גדול מזמנו במחשבה על מגוון מוליכים למחצה בלתי רגילים: בלתי רגילים בגלל הדרך שבה הם מגיבים לאותות אופטיים ומשפיעים עליהם.
האתגר הוא לגלות תרכובת שממנה אפשר לייצר מקבילות אופטיות זולות לשבב הסיליקון. לא פורסט ולא עמיתיו במרכז יודעים בוודאות כיצד ייוצרו המרכיבים האלה בסופו של דבר. אבל הם יודעים שבלעדיהם הטכנולוגיה הפוטונית שהם מדמיינים לעולם לא תמריא באמת.
זה יהיה מצער, מפני שלפוטונים יתרונות רבים על פני אלקטרונים. בשניהם, כמובן, אפשר להשתמש כדי לשאת מידע; אבל אלקטרונים, בשל האופן שבו הם פועלים זה על זה, נוטים ליצור זליגת אותות בלתי רצויה והפרעות אלקטרומגנטיות. פוטונים, לעומת זאת, אינם מגיבים זה לזה. אלומות אור יכולות לעבור זו דרך זו ללא השפעה מדידה. סיבים אופטיים המעבירים אור יכולים להיות מונחים זה לצד זה בלי ליצור השפעות שליליות.
יתרה מזו, מהירות האותות האלקטרוניים מוגבלת הן על ידי תכונות האלקטרונים והן על ידי המעגלים שבהם הם נעים. אבל לסיבים אופטיים יש רוחב פס פוטנציאלי גדול יותר, שמשמעותו יכולת גבוהה יותר לנשיאת מידע.
גם אין צורך להגביל את חלקיקי הפוטון למוליך גלים — המקבילה האופטית לחוט. בניגוד לאלקטרונים, הם יכולים לנוע בחופשיות במרחב. ומכיוון ששידור פוטוני אפשרי מנקודה אחת לנקודות רבות, אפשר להשיג קשרי תקשורת לפי הצורך בלי סבך החוטים הרגיל הטבוע ברשת אלקטרונית.
בתחום המחשוב מבטיחים הפוטונים לשפר מאוד את יכולות העיבוד המקבילי, המוגבלות כיום במחשבים אלקטרוניים בגלל המבנה הרציף בעיקרו שלהם.
כמובן, העובדה שפוטונים נמנעים מאינטראקציה מקשה מאוד לרתום אותם לשימוש מעשי. אי אפשר להשתמש באלומות אור ישירות כדי לאפנן או למתג זו את זו, ולכן יש להסתמך על תווך פעיל מתערב לביצוע הפעולות האלה. מכאן החיפוש אחר אב טיפוס של שבב אופטי.
חוקרי המרכז בחרו לפתח רעיונות לשבבים אופטיים המבוססים על משפחת תרכובות מוליכות למחצה המכונות ״III–IV״, משום שהן מורכבות מיסודות בטורים III ו־IV של הטבלה המחזורית. תרכובת אחת כזאת, גליום ארסניד (GaAs), וקרובותיה היו מושא למחקר ופיתוח אינטנסיביים לשימוש בלייזרים ובגלאים זעירים במיוחד של מוליכים למחצה. המרכיבים האלה מהווים כיום את הבסיס לתעשיית הסיבים האופטיים כולה.
ייתכן ש־GaAs אינו החומר האידיאלי ביותר לפעולות פוטוניות פעילות, אבל נראה שהוא פועל היטב למדי הן עם פוטונים והן עם אלקטרונים. זה חשוב, מפני שהיישומים הראשונים של הפוטוניקה צפויים לשלב פעולות פוטוניות וחשמליות גם יחד.
החיפוש הזה אחר חומר בעל שימושים רבים, אך לא בהכרח אידיאלי, מעיד על תפיסת היסוד של המרכז, המייחסת חשיבות יוצאת דופן למעשיות ולשיתוף פעולה.
מנהל המרכז, דניאל דפקוס, פרופסור להנדסת חשמל ולמדע החומרים, הוא גם ותיק מעבדות בל. ״יותר מדי חוקרים״, הוא מסביר, ״משתמשים בחומרים שהם מאמינים שיתאימו ביותר לצרכים המיידיים שלהם. וכך כל אחד מפתח רכיב אחר, שמיוצר מחומר אחר, שאי אפשר להשתמש בו לרכיבים אחרים.״ המצב הזה דומה, לדבריו, למה שהיה קורה אילו יצרני מחשבים החליטו לייצר מכשירים ותוכנות שאינם תואמים שום מערכת אחרת בשוק.
״ההשקפה שלנו״, הוא אומר, ״היא שזו אינה הגישה הנכונה. אם זה יימשך, לעולם לא יהיו בעולם האמיתי די זמן או כסף לפתח טכנולוגיה פוטונית שימושית.״
בנטייה הזאת לגישה מעשית לפיתוח טכנולוגיה פוטונית שותף גם ארמנד ר׳ טנגיי הבן, שבמובנים רבים הוא כוח מניע במרכז. בניגוד לדפקוס, לפורסט או לוויליאם ה׳ סטייר, מנהלו הקודם של המרכז, טנגיי לא הגיע ממעבדות בל. אבל כמו עמיתיו בסגל הוא נחרד ממה שהוא רואה כבזבזנות של המחקר האקדמי האמריקאי.
״אני בעצמי לא סיימתי ללמוד לפני כל כך הרבה זמן״, הוא אומר, ״אבל כבר נמאס לי מן המחקר שאנחנו בדרך כלל עושים.״
רוב המדענים, הוא אומר, עובדים עד כלות ״ברדיפה אחרי הרעיון הטוב ביותר והמעמיק ביותר שהם מסוגלים להעלות״, בלי לדאוג אם הרעיון הזה יכול אי פעם להיות בעל משמעות אמיתית.
״למשל״, הוא אומר, ״אנחנו חוקרים באופן אינטנסיבי סוג מסוים של מאפנן אור מרחבי במעבדה שלי מאז שהייתי סטודנט לתואר מתקדם. אלה שלוש־עשרה שנים שהקדשתי לניסיון להבין את הרכיב הזה. אף שלמדנו המון מן המחקרים האלה, גילינו גם שייתכן שהרכיב הזה לעולם לא ישולב במערכות תפעוליות, בעיקר מפני שלא הוכח שאפשר לייצר אותו.
״מה שאנחנו מנסים לומר כאן הוא שיש הרבה רעיונות הטובים ביותר. אז למה לא לבחור באלה שיכולים להשפיע על המערכות שיתפתחו בחמש־עשרה עד עשרים השנים הבאות?״
המרכז לטכנולוגיה פוטונית הוקם לפני שנה וחצי, כש״התברר שיש באוניברסיטת דרום קליפורניה קבוצה גדולה באופן חריג של אנשים העוסקים בפוטוניקה״, אומר פורסט. ״כבר כמה שנים הייתה תחושה מתמשכת״, מוסיף דפקוס, ״שעל אף שיש לנו אנשים כמו אלכסנדר סוצ׳וק, אלזה גרמייר ואנופם מדהוקר, שכל אחד מהם מוכר מאוד בתחום, לא הייתה לנו כבית ספר ההשפעה שחשבנו שיכולה להיות לנו.״ חברי הסגל האלה, שכל אחד מהם ממומן בנפרד, יצאו לאחר מכן ליצור מרכז המוקדש למחקר אינטנסיבי בין־תחומי. מטרתו הייתה לא פחות ממימוש מהיר של טכנולוגיה פוטונית כללית, בעלת שימוש רחב בבעיות כמו מיתוג ברשתות מקומיות, מקורות וגלאים של מערכות תקשורת, עיבוד אותות והתאמתם, שיפור שבבי סיליקון, עיבוד מידע אופטי וכמובן מערכות מחשוב מתקדמות.
כיום יש במרכז קבוצת ליבה של כעשרה חוקרים מן המחלקות למדע החומרים, לפיזיקה ולהנדסת חשמל.
טנגיי מאמין שהמרכז יוכל להבטיח התקדמות מהירה בתחומים האלה רק באמצעות עידוד שיתוף פעולה ותיאום בין חברי הסגל לסטודנטים לתארים מתקדמים בכל הזדמנות.
״מידת שיתוף הפעולה בין חברי הסגל כאן באוניברסיטת דרום קליפורניה ייחודית״, הוא אומר. ״למשל, פרסמתי בערך אותו מספר מאמרים עם חברי סגל אחרים כמו לבדי, אך ורק כתוצאה מזה.״
סטייר מוסיף שיכולתו העתידית של המרכז לבקש מענקי ממשלה מרוכזים תהיה תלויה במידה רבה במנגנוני שיתוף הפעולה הנידונים כעת.
״כשמממנים אותך במענקים כאלה, מצפים שתפעל בשיתוף״, הוא אומר. ״מעריכים אותך לפי מידת ההצלחה שלך בזה. כך, בניגוד בולט לרוח היזמית של החוקר הבודד ששלטה ברוב המחקר האמריקאי עד כה, העידוד לתיאום יבוא גם מלמעלה וגם מלמטה.״
כמובן, גם השכל הישר ישפיע על אופי השיח במרכז החדש. מעטים מן החוקרים העובדים בו, בין בצד המערכות, החומרים או הרכיבים של הפוטוניקה, יכולים להימלט מן המגבלות הפיזיקליות הממשיות על מה שהם מסוגלים להשיג. טנגיי, למשל, הוכיח משפט המדגים שהשגת רזולוציה גבוהה, רגישות גבוהה, קצב תמונות גבוה וטווח דינמי גבוה במאפנני אור מרחביים ״בלתי אפשרית לחלוטין״.
קביעת הגבולות האלה היא כנראה אחת המשימות החשובות יותר שהמרכז קיבל עליו. היא מסייעת להרחיק חוקרים ממבוי סתום, ובו בזמן מעודדת אותם למצוא דרכים חכמות להימנע לחלוטין מן המגבלות.
המרכז פועל גם לקידום מאמצים משותפים עם חברות פרטיות. הרעיון הוא לפתח תוכנית ״שותפים תעשייתיים״, שנועדה לעודד מימון פרטי למחקר כללי על פני הבסיס הרחב של הטכנולוגיה הפוטונית.
החוקרים גם מעוניינים מאוד לשלב חוקרים מן התאגידים במיזמים משותפים. דפקוס מדמיין מערכת יחסים אידיאלית: ״אנחנו נספק את כיווני המחקר הרחוקים יותר״, הוא מתלוצץ, ״והם יספקו את הריסון — את התובנה של העולם האמיתי.״
עד כה התקבלו התחייבויות בעל פה מחמש חברות. היעד הוא חמש־עשרה. אבל דפקוס, שהיה גם בצד התעשייתי וגם בצד האקדמי של השולחן, חש התלהבות מן המרכז ומגישתו, שלדעתו עונה למבקרים בקהילה המדעית הטוענים שטכנולוגיה פוטונית אמיתית, המקבילה לאלקטרוניקה של ימינו, אינה ניתנת למימוש ביסודה.
פורסט מוסיף: ״כשאתה רואה מחלוקות עמוקות כאלה בין מדענים עוד לפני שהמערכת נוצרה, זה אומר שיש עדיין שאלות יסוד שצריך להכריע בהן. זה נותן תחושה של המרחק שצריך לעבור לפני שאפשר להפעיל מערכת מעשית.
״העובדה שאנחנו מקבלים עידוד מן התעשייה פירושה שרוב האנשים מכירים בפוטנציאל ההתקדמות בתחום הזה.״
כיתוב התצלום: הסטודנט לתואר מתקדם גרג קבונס נע בין אלומות הלייזר כדי לכוון מסיט במתג אופטי ניסיוני. כאן אלומה כחולה מפוצלת ומתאחדת מחדש בגביש אופטי לא־ליניארי.
כיתוב התצלום: טנגיי, פורסט, דפקוס וסטייר היושב — קבוצת חברי סגל יצאה ליצור מרכז המוקדש למחקר בין־תחומי אינטנסיבי, כשמטרתה מימוש מהיר של טכנולוגיה פוטונית כללית.
כיתוב התצלום: המועמדת לדוקטורט ג׳וליה ג׳י ג׳ונסון, עמיתה במרכז לטכנולוגיה פוטונית, מכניסה צמד תרמי לאחת ממערכות גידול הגבישים האפיטקסיאלי בפאזה נוזלית של המעבדה. החומרים הגדלים כאן משמשים לבניית מקלטים אופטיים משולבים, הממירים אותות אור לחשמל.