• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
02.02.2023
Сколтех
2 567

Физики переключили свет одним фотоном, приблизив появление сверхбыстрых и энергоэффективных оптических компьютеров

4.9

Ученые из Сколтеха запатентовали способ переключения необычного макроскопического состояния света, известного как поляритонный бозе-эйнштейновский конденсат, при комнатной температуре единичным фотоном. Поляритонный конденсат может однажды стать основой для хранения и операций с информацией в оптических компьютерах, и способность эффективно переключать его состояние приближает нас к компьютерам, которые будут манипулировать фотонами вместо электронов, обеспечивая значительный рост производительности и экономию электроэнергии по сравнению с современной электроникой.

Физики переключили свет одним фотоном, приблизив появление сверхбыстрых и энергоэффективных оптических компьютеров / ©Getty images / Автор: Ptolemocratia Acerronius

«Образно говоря, нам удалось в обычных условиях среды как бы нажать на выключатель света одним единственным фотоном, то есть элементарной частицей света, а это, по сути, предел энергоэффективности. Разумеется, мы ставили эксперимент не с электрической лампочкой, а с некоторой сложной сущностью, которая называется поляритонным конденсатом, но он тоже представляет собой макроскопическое — из мира больших вещей — состояние света, которое могло бы кодировать нули и единицы в сверхбыстрых и энергосберегающих компьютерах будущего», — прокомментировал результаты исследования один из авторов изобретения, профессор Сколтеха Павлос Лагудакис.

Способность эффективно манипулировать состоянием света необходима, чтобы использовать его в оптических компьютерах, где сигналы будут передаваться фотонами, а не электронами. Поскольку свет распространяется быстрее электричества и позволяет избежать термических потерь, оптические вычисления будут выполняться быстрее и энергоэффективнее, а система охлаждения не понадобится.

«Сложность состоит в том, что оптические вычисления подразумевают, что два световых сигнала должны друг с другом взаимодействовать, но законы физики таковы, что свет практически не взаимодействует со светом: можно включить один фонарь, а потом посветить другим фонарем перпендикулярно конусу света первого, и это никак на него не повлияет. Одна из главных вещей, которой занимаются в фотонике, — это как раз поиск способов заставить одну световую волну повлиять на состояние другой», — пояснил Лагудакис.

Такого рода модуляция световых волн сегодня выполняется крайне неэффективно: чтобы изменить исходный сигнал при помощи акустических волн, электричества или вспомогательного светового сигнала, последний должен по мощности быть сопоставим с исходным. Естественно, с практической точки зрения весьма желательно научиться модулировать, или переключать, исходный сигнал другим, как можно более слабым, как это происходит в электрических транзисторах современных компьютеров.

В этом смысле предел энергоэффективности — однофотонное переключение, когда для изменения состояния света, которое соответствует основному сигналу, достаточно одной единственной частицы света вспомогательного сигнала. Как раз это и удалось ученым из Сколтеха в эксперименте с поляритонными конденсатами — состоянием материи, которое можно образно охарактеризовать как жидкий свет. На продемонстрированный ими способ переключения выдан патент.

В эксперименте используются два лазера с точно подобранными характеристиками. Первый воздействует на особый материал, в котором под действием лазерного света возникает капля «жидкого света» — определенное количество синхронизированных друг с другом поляритонов, которому можно условно присвоить значение «ноль». Затем второй лазер доставляет в эту систему ровно один фотон и число синхронизированных поляритонов в конденсате возрастает — это «один».

«Истоки этого исследования — работающий при комнатной температуре поляритонный транзистор, который наш коллектив представил в 2019 году. Только тогда мы переключали состояние этого устройства с нуля на единицу при помощью сигнала мощностью порядка 10–100 тыс. фотонов, а теперь — всего одним фотоном, — рассказал Лагудакис. — Важно повторить, что речь идет о работе в комнатных условиях, в то время как конкурирующим подходам, в основе которых лежат сверххолодные атомы, твердотельные кубиты или квантовые точки, не удалось поднять рабочую температуру выше −263 градусов Цельсия. Более того, обычно там вдобавок требуется вакуум и/или очень сильное магнитное поле».

Переход к однофотонному переключению стал возможен благодаря существенной доработке экспериментальной установки. Первоначально состояние системы определялось путем усреднения тысячи разных реализаций поляритонного конденсата, каждая из которых была сгенерирована отдельным лазерным импульсом. То есть анализ проводился уже после накопления сигнала по итогу тысячи повторений.

«Теперь мы увеличили чувствительность детектирования и можем генерировать и анализировать отдельные реализации поляритонного конденсата, — пояснил Лагудакис. — Кроме того, мы можем лучше контролировать подготовку конденсата, и теперь можно проводить анализ конденсатов, приготовленных при абсолютно одинаковых условиях, возбуждая идентичные состояния конденсатов. Иными словами, детектирование неуловимого явления однофотонного переключения в нашем новом эксперименте стало возможным благодаря одновременному повышению чувствительности и устранению шума».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 15:12
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

11 часов назад
Мария Азарова

Ученые выявили генетическую мутацию, ответственную за напоминающий лакричные конфеты «салмиак» окрас шерсти, который недавно появился у домашних кошек в Финляндии.

Вчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Исследователи Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ использовали технологии автоматического распознавания эмоций для изучения благотворительного поведения. В рамках эксперимента ученые показали 45 участникам исследования фотографии собак, нуждающихся в помощи, и предложили сделать пожертвования в их поддержку. Эмоциональные реакции на изображения определяли по мимической активности с помощью программы FaceReader. Оказалось, что чем сильнее участники испытывали грусть и гнев, тем больше денег они готовы были отдать в благотворительные фонды, при этом персональный уровень финансового благополучия не влиял на размер пожертвований.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

Позавчера, 15:12
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

24 мая
Полина Меньшова

Чрезмерный или неконтролируемый просмотр порноконтента, как правило, связан с особенностями психологического и эмоционального состояния человека. Какие именно факторы вызывают потребность в видео «для взрослых», объяснили специалисты из Австралии.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: