Физики СПбГУ вместе с коллегами из Франции и Германии обобщили данные о перспективах использования световых вихрей в квантовых вычислениях и выяснили, что такие вихри в потоках квазичастиц — поляритонов — можно применять для сверхбыстрых вычислений и моделирования черных дыр. Результаты исследования опубликованы в Nature Reviews Physics.
Обычные фотоны, частицы света, почти не сталкиваются и не влияют друг на друга. Это хорошо для передачи сигналов, но плохо для управления — один луч не может эффективно воздействовать на другой. Поэтому создавать оптические логические схемы напрямую из фотонов очень трудно. Физики давно ищут способ заставить свет вести себя как вещество, то есть подчиняться внешним воздействиям.
Эту проблему помогут решить поляритоны — свето‑материальные квазичастицы. Внутри полупроводниковой микрополости фотон многократно поглощается и переизлучается экситоном. Благодаря этому процессу рождается новая частица — поляритон. Она сочетает свойства кванта света (фотона) и материальной частицы (экситона). От фотона ей достаются легкость и скорость, от экситона — способность сильно отталкиваться от других частиц. Именно эта способность поляритонов к взаимодействию дает возможность создавать устойчивые структуры, такие как вихри и солитоны.
Изучение свето‑материальных квазичастиц ведется уже более 30 лет. Долгое время для их существования требовались сверхнизкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Однако недавно появились новые материалы — перовскиты, оксид цинка, органические кристаллы, в которых эти гибридные образования могут жить при комнатной температуре. Это принципиально важно для создания реальных устройств, поскольку отпадает необходимость в сложном и дорогом охлаждении.
Группа авторов из Франции и Германии под руководством ученого из СПбГУ Алексея Кавокина подготовила подробный обзор, в котором описала полную картину того, что сегодня известно о поляритонных вихрях и солитонах. Они разобрали существующие методы управления этими структурами и обозначили проблемы, которые еще предстоит решить.
Алексей Кавокин — доктор физико‑математических наук, профессор. В СПбГУ он руководит лабораторией оптики спина, которая была создана в рамках программы мегагрантов Правительства РФ. Под его руководством ученые университета занимаются передовыми исследованиями в области поляритоники — науки о гибридных состояниях света и вещества. Алексей Кавокин, который входит в число 2% самых цитируемых ученых мира, является лауреатом множества международных премий. Ученый СПбГУ стал одним из героев фильма «Россия — лаборатория мира» о выдающихся ученых России Министерства науки и высшего образования РФ.
«В обзоре мы подробно разобрали два способа возбуждения поляритонов. Первый — резонансный, когда лазер настраивается точно на энергию нужного состояния. В этом случае частицы копируют фазу и импульс лазера, а их поведение становится предсказуемым. Так получают поляритонные сверхтекучие жидкости, в которых возможно движение с нулевой вязкостью и возникновение одиночных волн — солитонов. Второй способ — нерезонансный, когда энергия лазера заметно выше экситонной. В этом случае сначала создается резервуар горячих экситонов, а затем из этого резервуара формируются частицы жидкого света — поляритоны. Когда поляритонов накапливается достаточно много, они формируют конденсат Бозе — Эйнштейна: нечто вроде единой гигантской частицы или волны, фаза которой уже никак не зависит от фазы лазерного света», — сказал Алексей Кавокин.
Авторы обзора приходят к нескольким важным выводам. Прежде всего, поляритонные вихри и солитоны — это реальная основа для новых вычислительных устройств. Уже сегодня существуют элементы цифровой схемы на базе этих элементов, которые работают на частоте 100 гигагерц. Это значительно быстрее, чем способна современная электроника.
Кроме того, состояние вихря с вращением по часовой стрелке или против нее можно использовать как кубит — квантовый транзистор, способный находиться в суперпозиции двух состояний одновременно. Эксперименты 2024 года, выполненные в СПбГУ и Университете Вестлейк в Китае, показали, что время когерентности такого кубита в сотни раз превышает время жизни одиночного поляритона, а точность выполнения операций достигает 95−98%. Это очень серьезный результат, который приближает создание полноценных поляритонных квантовых процессоров.
Еще один вывод лежит в области фундаментальной науки. Гибридные свето‑жидкости оказались удобной лабораторией для аналоговой гравитации. Поток конденсата поляритонов может имитировать поведение пространства‑времени вблизи горизонта событий черной дыры, что позволяет проверять предсказания общей теории относительности в лабораторных условиях — там, где раньше требовались телескопы и наблюдения за далекими космическими объектами.
В итоге исследователи приходят к заключению, что физика поляритонов находится на пороге практических приложений. Благодаря новым материалам, позволяющим создавать когерентные потоки свето‑жидкости при комнатной температуре, устройства на их основе в ближайшем будущем могут перейти из лабораторий в реальные оптические процессоры, сверхбыстрые линии связи и квантовые симуляторы.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
