Переключение света одним фотоном сделает компьютеры быстрее и эффективнее

Способ переключения необычного состояния света, называемого поляритонным бозе-эйнштейновским конденсатом, с помощью единичного фотона при комнатной температуре запатентовали ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), 2 февраля сообщила пресс-служба института.

Предполагается, что поляритонный конденсат может стать основой для хранения информации и выполнения операций в оптических компьютерах, поэтому возможность эффективно переключать его состояние приближает создание таких компьютеров, в которых манипуляции будут производиться фотонами вместо электронов.

Это приведет к значительному росту производительности вычислительных устройств, а также к экономии электроэнергии по сравнению с современной электроникой: свет распространяется быстрее электричества и оптические вычисления будут выполняться быстрее и энергоэффективнее. При этом будут отсутствовать термические потери, и система охлаждения не понадобится.

Роспатент выдал разработчикам метода патент на изобретение «Способ переключения макроскопического состояния поляритонов при помощи одного фотона». Исследование предложенного метода было описано в статье «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре», опубликованной ранее в журнале Nature.

Один из авторов изобретения, профессор Сколтеха Павлос Лагудакис так пояснил его суть:

«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».

Проблема, которую приходится решать разработчикам оптических компьютеров, состоит в том, что свет почти не взаимодействует со светом. Павлос Лагудакис привел такой пример:

«Можно включить один фонарь, а потом посветить другим фонарём 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 он.

Попытки модулирования световых волн выполняются, пока со слабой эффективностью, с помощью акустических волн, электричества или вспомогательного светового сигнала. При этом последний должен по мощности быть сопоставим с исходным.

Но с позиций энергоэффективности желательно модулировать (переключать) исходный сигнал другим, как можно более слабым. Как это и происходит в электронных транзисторах современных компьютеров.

Пределом энергоэффективности для оптических манипуляций является случай, когда изменение состояния основного светового сигнала достигается одной единственной частицей света вспомогательного сигнала — однофотонное переключение, что и имело место в эксперименте сколтеховских ученых с поляритонными конденсатами.

Поляритон — составная квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды. Поляритонные конденсаты представляют собой состояние материи, которое можно образно охарактеризовать как жидкий свет.

Ученые использовали в эксперименте два лазера с точно подобранными характеристиками. Первый из них воздействовал на особый материал, в котором лазерный свет формирует каплю «жидкого света» — некоторое количество синхронизированных друг с другом поляритонов, условно принимаемому за «ноль».

Второй лазер после этого добавляет в эту систему ровно один фотон — число синхронизированных поляритонов в конденсате возрастает. Это состояние принимается за «единицу».

«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 с помощью сигнала мощностью порядка 10–100 тыс. фотонов, а теперь — всего одним фотоном», — рассказал о новом изобретении Лагудакис.

Ученый отметил, что система работает при комнатных условиях, тогда как у конкурирующих подходов в основе лежат сверххолодные атомы, твердотельные кубиты или квантовые точки, рабочая температура которых не выше −263 °C, а кроме того, им необходим вакуум и/или очень сильное магнитное поле.

Добиться однофотонного переключения ученые смогли, существенно доработав экспериментальную установку. Первоначально состояние системы определялось путtм усреднения тысячи разных реализаций поляритонного конденсата, каждая из которых была сгенерирована отдельным лазерным импульсом. То есть анализ проводился уже после накопления сигнала после тысячи манипуляций.

«Теперь мы увеличили чувствительность детектирования и можем генерировать и анализировать отдельные реализации поляритонного конденсата», — пояснил Лагудакис.

Улучшения контроля подготовки конденсата позволили анализировать конденсаты, приготовленные при абсолютно одинаковых условиях, возбуждая у них идентичные состояния.

«Иными словами, детектирование неуловимого явления однофотонного переключения в нашем новом эксперименте стало возможным благодаря одновременному повышению чувствительности и устранению шума», — заключил свое объяснение ученый.