Случайное рассеяние фотонов на одиночной щели вправо и влево от центра описывается теми же математическими формулами, что и кубит, который находится в суперпозиции двух состояний из двух уровней и переходит в определенное состояние только после проведения измерения.
Источник изображения: Д.Ю. Ципенюк / предоставлено пресс-службой МФТИ
Ученые Московского физико-технического института разработали уникальную платформу, позволяющую с большой точностью управлять интерференцией света. В перспективе такие системы помогут создавать оптические компьютеры, способные за доли секунды выполнять сложные специализированные задачи. Подробнее о разработке корреспонденту «Научной России» рассказали соавторы исследования, доценты кафедры общей физики МФТИ, кандидаты физико-математических наук Валерий Павлович Слободянин и Дмитрий Юрьевич Ципенюк.
Интерференция света — явление, при котором несколько световых волн «перекрываются», воздействуя друг на друга. Его наглядная демонстрация — опыт Юнга, знакомый многим еще со школьных времен: когда излучение одной частоты проходит через две узкие щели, две получившиеся волны начинают взаимно усиливать либо подавлять друг друга, в результате чего на подставленном экране формируется рисунок из чередующихся темных и светлых полос.
Исследователи пробуют научиться управлять интерференцией световых волн, чтобы использовать ее для вычислений в оптических компьютерах, способных превзойти по мощности и скорости привычные электронные вычислители. Но работа с видимым светом в этом случае оказывается технически сложной. Щели для пропускания света должны быть невероятно малых размеров (единицы микрометров и менее) и изготавливаться с очень высокой точностью. Такой подход требует много времени и больших вложений в эксперименты.
Сотрудникам и студентам кафедры общей физики МФТИ удалось упростить задачу. Ученые заменили видимое излучение на микроволновое. Поскольку длина его волн гораздо больше — миллиметры и сантиметры — новое решение дает возможность увеличить размер всех элементов установки для экспериментов с интерференцией (щелей, экранов, детекторов). Благодаря этому системой становится проще управлять.
Исследование было представлено на международной конференции OPAL’2025. Статьи о нем были опубликованы в журналах Sensors & Transducers и RENSIT.
«Один из возможных методов оптических вычислений — использование многощелевой интерференции. Точность различных многощелевых оптических экспериментов затруднена из-за сложности создания соответствующих узких щелей для экспериментов по дифракции с двумя, тремя или четырьмя щелями. Решением этих и подобных технических трудностей может стать изменение спектра излучения из классического оптического диапазона в микроволновую СВЧ-область. В нашей статье в журнале Sensors & Transducers представлены предварительные двух- и трех-щелевые интерференционные микроволновые тестовые эксперименты. Для получения интерференции использовались различные диэлектрические основания с металлическими покрытиями с двумя и тремя щелями разной ширины. Дифракционные эксперименты проведены для микроволновых частот в интервале от 36,3 до 53,6 ГГц», — поделился В.П. Слободянин.
Испытания продемонстрировали, что в микроволновом диапазоне можно успешно воссоздать интерференционную картину как с двумя, так и с тремя щелями.
«Показана возможность управления микроволновой двух- и трехщелевой интерференцией путем изменения поляризации или введения временной задержки в пути распространения излучения. В частности, получено почти полное взаимное гашение сигнала по центру СВЧ-пучка при интерференции от двух щелей при сдвиге фаз излучения от левой и правой щели. В ходе исследования проведен поиск квантовых эффектов в ближней зоне Френеля и дальней зоне Фраунгофера. Обсуждена также возможность компьютерного моделирования рассеяния волн на различных двумерных и объемных объектах (микроволновых преобразователях)», — добавил Д.Ю. Ципенюк.
Чтобы проверить, совпадает ли результат интерференции с теоретическими прогнозами, исследователи создали цифровую модель установки посредством метода PyMeep FDTD. Она помогла не только оценить правильность работы платформы, но и рассчитать, как изменится интерференционная картина при других параметрах. В дальнейшем ученые хотят разработать на основе созданной модели нейросеть для виртуального моделирования разных экспериментальных условий.
Набор для опыта с щелями шириной от 3 до 10 мм, с помощью которых можно воспроизводить картину интерференции в микроволновом диапазоне.
Источник изображения: статья в журнале Sensors & Transducers / предоставлено пресс-службой МФТИ
«Помимо проведения интерференционных экспериментов, мы рассчитали на компьютере профили пучка для той же геометрии щели и длины волны. В нашей работе в журнале Sensors & Transducers представлены результаты расчетов профиля интерференционного СВЧ-пучка, соответствующего условиям эксперимента. Расчетная модель была создана на основе анализа физики дифракции Френеля и рассеяния Ми и разработки на этой основе численного моделирования рассеяния с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD) PyMeep. На основе этой модели и полученных экспериментальных измерений мы хотели бы создать эффективную физически обоснованную архитектуру нейронной сети для восстановления распределения электромагнитного поля, — пояснил В.П. Слободянин. — Нейросеть не требует знания аналитического решения и обобщает поведение поля за пределами обучающей выборки. Это позволит нам моделировать различные варианты интерференционных экспериментов, не проводя фактических измерений, что существенно ускорит работу по оптимизации параметров испытаний».
Исследователи считают, что описывать работу установки можно теми же математическими методами, что и при квантовых вычислениях. Роль кубита — минимальной единицы информации в квантовых компьютерах — в данном случае исполняет волна, проходящая сквозь одну щель. Например, если 30% излучения отклоняются вправо относительно центра приемной системы, а 70% — влево, это аналогично кубиту с распределением вероятностей 30/70.
Управлять новой установкой также можно теми же методами, что и в квантовой механике. Таким образом, новое исследование упрощает исследование и имитацию поведения квантовых систем.
Коллектив авторов планирует продолжить работу с подобными установками в микроволновом или видимом диапазоне излучения и попробовать создать на основе нового метода реальную логическую систему. Следующим этапом станет обучение нейросети и разработка первых прототипов аналоговых оптических процессоров.
«На основе экспериментально полученных результатов можно подумать об оптических вычислительных логических элементах на основе интерференции щелей. С использованием эффектов интерференции возможна разработка интерференционных логических вентилей и различных типов фотонных интегральных схем. Оптические вычислительные аналоговые устройства на базе таких технологий смогут решать весь спектр задач, выполняемых обычными компьютерами, — пояснил Д.Ю. Ципенюк. — На данный момент мы сосредоточены на создании и тестировании в СВЧ-диапазоне макетных вариантов логических элементов типа NOR, NAND, XNOR и других. Вопросами компактификации размеров логических элементов и создания прототипов реальных процессоров мы планируем заняться на следующем этапе развития нашего проекта.
Очевидно, что создание аналогичных интерференционных элементов, например, в области длины волны 1,55 мкм позволит резко снизить размеры систем и напрямую подойти к созданию оптических процессоров. Пример реализации подобной технологии представлен в статье зарубежных исследователей “Разработка и анализ логических элементов NOR, NAND и XNOR на основе эффекта интерференции” в журнале “Квантовая электроника”».
Изучаемое направление очень перспективно: например, проектом со схожим подходом сейчас занимается еще одна команда российских ученых с участием сотрудников Центра Квантовых технологий МГУ. «В рамках этого исследования разрабатывается технология создания элементов для квантовых вычислений на основе пар фотонов, находящихся в двух различных поляризационных модах, распространяющихся в волноводах. На вход оптоволоконного кабеля поступает пара фотонов, они проходят через поляризатор, а на выходе установлена пара счетчиков, регистрирующих фотоны с вертикальной и горизонтальной поляризацией соответственно, — рассказал Д.Ю. Ципенюк. — В статье об этой работе сообщается: “Показано, что для проведения полного набора измерений достаточно использовать набор унитарных двухмодовых поляризационных преобразований. В экспериментальной реализации протокола в качестве такого преобразования выступает одна четвертьволновая фазовая пластинка, установленная под разными углами”».
В будущем подобные технологии позволят очень быстро решать сложные задачи из области моделирования волновых и колебательных процессов. Примеры — прогнозирование распространения сейсмических волн при землетрясении, совершенствование антенн, расчет резонансных частот нового моста. У классического компьютера на выполнение этих операций уйдет несколько дней. Правильно настроенный аналоговый оптический вычислитель, как считают ученые, справится с такими задачами менее, чем за секунду, поскольку не производит поэтапные расчеты, а физически моделирует нужное явление «внутри себя».
В заключение Д.Ю. Ципенюк поделился планами научной команды Физтеха.
«Создание “цифрового двойника” экспериментальной СВЧ-установки на основе нейросети позволит резко ускорить расчеты по оптимизации параметров макетной СВЧ-установки и на этой основе создать эффективно работающие логические элементы типа NOR, NAND, XNOR. Проблема оптимизации конструкции логических элементов для обработки данных с точки зрения точности и энергетической эффективности при выполнении операций в оптических аналоговых вычислениях рассмотрена, например, в статье “Перспективы создания оптических аналоговых вычислительных машин” А.В. Гаврилова и В.А. Сойфера в журнале Journal Computer optics», — сказал Д.Ю. Ципенюк.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на превью: Д.Ю. Ципенюк / предоставлено пресс-службой МФТИ.
Источник изображения в тексте: статья в журнале Sensors & Transducers / предоставлено пресс-службой МФТИ.
