Для оптической памяти предложили использовать «жидкий свет»
Российские ученые обнаружили необычное свойство «жидкого света», которое может изменить подход к созданию фотонных вычислительных систем. Речь идет о поляритонном конденсате – особом квантовом состоянии вещества, способном сохранять информацию о свойствах светового сигнала значительно дольше, чем существуют отдельные составляющие его квазичастицы.
Это открытие особенно важно для развития фотонных компьютеров, где информация передается с помощью света. Сегодня одним из слабых мест таких систем остаются преобразования между оптическими и электрическими сигналами, поскольку они требуют дополнительных компонентов, времени и энергии. Возможность непосредственно сохранять световую информацию внутри оптической системы потенциально позволит сделать архитектуру будущих компьютеров проще и эффективнее.
Исследованием поляритонного конденсата занимаются специалисты Российского квантового центра, МФТИ и Санкт-Петербургского государственного университета. Ученые изучают так называемый «жидкий свет», состоящий из экситон-поляритонов – необычных квазичастиц, которые возникают благодаря взаимодействию света с веществом.
Чтобы понять природу этих частиц, достаточно представить их как своеобразный квантовый гибрид. В них сочетаются свойства фотона и возбуждения вещества, связанного с электроном и образовавшейся в кристалле «дыркой». Именно такое сочетание и придает поляритонам необычные свойства, которые невозможно получить от обычного света или отдельных частиц вещества.
Долгое время считалось, что устойчивые поляритонные конденсаты могут существовать только при температурах, близких к абсолютному нулю, однако последующие исследования показали, что при определенных условиях подобные структуры способны формироваться и при комнатной температуре. Это стало важным шагом на пути к их практическому применению – от новых источников света до компонентов оптических и квантовых вычислительных систем.
Теперь ученые решили проверить, может ли «жидкий свет» выполнять еще одну принципиально важную функцию – хранить информацию.
В ходе экспериментов исследователи обратили внимание на поляризацию света. Она характеризует направление колебаний электромагнитного поля и может использоваться для кодирования информации. Оказалось, что поляритоны способны воспринимать поляризационные свойства поступающего светового сигнала, а затем передавать их другим частицам внутри конденсата.
На первый взгляд это может показаться обычным сохранением светового импульса, однако на самом деле речь идет о гораздо более необычном процессе. Отдельный поляритон существует крайне недолго, тогда как информация о поляризации может сохраняться в самом конденсате еще длительное время.
При этом ученые подчеркивают, что система не создает копию фотона со всеми его характеристиками. Вместо этого поляритонный конденсат способен своеобразно «запомнить» поляризацию даже очень слабого светового импульса. Именно эта особенность и делает «жидкий свет» перспективным кандидатом на роль элемента оптической памяти.
Расчеты исследователей показали, что информация в таком состоянии может сохраняться в течение нескольких сотен пикосекунд. Для повседневных масштабов это практически мгновение, однако на уровне квантовых и оптических процессов – уже достаточно продолжительный интервал. Особенно показательным становится сравнение с продолжительностью жизни отдельного поляритона: информация способна сохраняться в сотни раз дольше самой частицы.
Полученный результат открывает возможность создания памяти, которая будет работать непосредственно со световыми сигналами. В таком случае фотонному компьютеру не придется каждый раз переводить оптическую информацию в электрическую, сохранять ее и затем снова преобразовывать в свет.
Если подобный подход удастся реализовать в практических устройствах, вычислительные системы смогут стать не только компактнее, но и экономичнее. Сокращение числа преобразований между оптическими и электрическими сигналами потенциально уменьшит потери энергии и упростит внутреннюю архитектуру фотонных процессоров.
Таким образом, «жидкий свет» постепенно перестает быть исключительно интересным объектом фундаментальной физики. Его способность сохранять свойства слабого светового сигнала показывает, что необычные квантовые состояния могут найти вполне прикладное применение – в частности, стать основой для нового поколения оптических устройств хранения информации. И хотя до появления полноценных фотонных компьютеров с такой памятью еще предстоит пройти немалый путь, российское исследование показывает главное: свет способен не только передавать информацию с высокой скоростью, но и на определенное время «запоминать» ее внутри квантовой системы.
Подготовил Роман БОНДАРЧУК, УзА
