Хотите получать важные новости науки?
Подписаться
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
02.02.2023
Сколтех
2 576

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
Позавчера, 17:23
Людмила Соколова

Чтобы понять, как часто за пределами Солнечной системы встречаются миры, похожие на Землю, ученые из Калифорнийского университета (США) провели статистический анализ 517 экзопланет. Результаты показали, что всего три мира, включая наш, соответствуют критериям потенциальной обитаемости. Наиболее перспективными из них оказались Kepler-22b и Kepler-538b.

Позавчера, 11:35
Игорь Байдов

Команда исследователей из Италии и США предложила два способа, с помощью которых гипотетический зонд сможет быстро добраться до одного из самых отдаленных и малоизученных объектов Солнечной системы. Речь о Седне — транснептуновом теле, которое находится за орбитой Плутона. По мнению инженеров, эти передовые технологии смогут доставить аппарат к Седне за семь и 10 лет.

Вчера, 10:56
ПНИПУ

С наступлением летней жары так и тянет окунуться в прохладную воду реки или озера. И такое решение может быть небезопасным! Эксперты Пермского Политеха рассказали, от чего водоемы становятся мутными и грязными, почему нельзя купаться рядом с утками и мостами, что находят в запрещенных для отдыха местах, какие инфекции можно подхватить и как не заболеть после купания.

25 июня
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

25 июня
Елена Авдеева

Состояние паралича, в которое впадают разные виды животных, хорошо известно и задокументировано. Обычно оно считается защитной реакцией в случае опасности, но никаких доказательств этому до сих пор нет. Особенно загадочным остается поведение обитателей океана, притворяющихся мертвыми. Ученые проверили существующие объяснения этого эффекта и сделали неожиданные выводы.

25 июня
Evgenia Vavilova

Квантовые спиновые жидкости (КСЖ) обещают ученым развитие в областях квантовых вычислений и передачи энергии без потерь. В них магнитные моменты частиц теоретически не должны упорядочиваться даже при охлаждении до абсолютного нуля температур.

17 июня
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[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
Закрыть
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