Ученые физического факультета МГУ вместе с исследователями Центра квантовых технологий Сбербанка разработали новый метод настройки многоканальных оптических интерферометров. Предложенный алгоритм пертурбативного разложения позволяет физически укоротить внутренние элементы прибора, что существенно снижает потерю света. Исследование открывает путь к созданию более сложных оптических вычислителей. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Physical Review A.
В современных оптических вычислениях главную роль играют многоканальные интерферометры — устройства, управляющие световыми сигналами. Внутри таких приборов свет проходит через сложную геометрию волноводов, светоделителей и фазовращателей. Математически работу интерферометра можно описать как умножение вектора входных сигналов на определенную матрицу передачи, управление которой происходит с помощью программируемых фазовых сдвигов. Обычно фазу изменяют в диапазоне от 0 до 2π. Именно здесь кроется главная проблема: чем сильнее нужно изменить фазу, тем длиннее должен быть фазовращатель, и тем больше света в нем теряется в процессе работы.
«Наша идея состояла в том, чтобы найти способ укоротить фазовращатели, сохранив при этом возможность реализовать необходимые преобразования, — поясняет первый автор исследования, аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Сурен Флджян. — Вычисления в интерферометре описываются матрицей, которая является функцией от параметров фазовых сдвигов. Мы опирались на свойства этой функции, которые проявляются при ее разложении в ряд по малому отклонению параметров, то есть пертурбативное разложение».
«В оптических интерферометрах размер имеет значение: чем больше оптический путь в волноводе, тем больше потери. Поэтому уменьшение размера элементов без потери функциональности, как предложено в этой работе, крайне важно на практике», — отмечает старший научный сотрудник физфака МГУ, научный руководитель Центра квантовых технологий Сбербанка Станислав Страупе.
Чтобы решить проблему потерь, команда исследователей применила численные и аналитические методы. Ученые доказали, что в рамках предложенного пертурбативного подхода можно реализовать большинство необходимых преобразований. Так, для вычислений достаточно меньших фазовых сдвигов. На практике это означает, что можно существенно уменьшить длину фазовращателей и тем самым снизить оптические потери в вычислительном устройстве.
Полученный результат критически важен для программируемых фотонных процессоров, применяемых в задачах линейной алгебры, машинного обучения и квантовой информации. При реализации широкого класса передаточных матриц потеря фотонов в интерферометре накапливается и ограничивает масштабирование. Новый метод позволит сделать оптические вычисления более стабильными и энергоэффективными.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию теоретической физики и математики «БАЗИС» и стипендии Президента Российской Федерации для аспирантов и адъюнктов.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: www.123rf.com
