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.

«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».