Сотрудники Московского физико-технического института создали принципиально новую платформу, обеспечивающую точное управление световыми интерференциями. По мнению разработчиков, подобные системы могут найти применение в создании оптических компьютеров, способных в кратчайшие сроки решать сложные задачи, ориентированные на конкретные нужды. О деталях разработки соавторы исследования, доценты кафедры общей физики МФТИ, кандидаты физико-математических наук Валерий Павлович Слободянин и Дмитрий Юрьевич Ципенюк, рассказали корреспонденту «Научной России.
Интерференция света – это явление, возникающее при наложении нескольких световых волн, что приводит к их взаимодействию. Классическим примером, демонстрирующим это явление, является опыт Юнга, который часто изучается в школе: когда свет с определенной частотой проходит через две узкие щели, образующиеся волны начинают взаимно усиливать или ослаблять друг друга, что приводит к формированию на экране, расположенном позади, картины из чередующихся светлых и темных полос.
Ученые стремятся освоить управление световыми волнами, чтобы применять этот эффект для вычислений в оптических компьютерах. Такие вычислительные машины потенциально смогут превосходить традиционные электронные устройства по мощности и скорости. Однако использование видимого света в этой области сопряжено с серьезными техническими трудностями. Для пропускания света требуются щели, размеры которых составляют единицы микрометров или меньше, и их изготовление требует высочайшей точности. Данный метод отнимает много времени и сопряжен со значительными затратами на проведение экспериментов.
Сотрудники и студенты кафедры общей физики МФТИ нашли способ облегчить решение задачи. Ученые предложили заменить видимый свет на микроволновое излучение. Поскольку длина волн микроволнового излучения значительно больше – они измеряются миллиметрами и сантиметрами – это позволяет увеличить габариты всех компонентов установки, предназначенной для экспериментов с интерференцией (щелей, экранов, детекторов). Это, в свою очередь, упрощает управление системой.
Исследование было представлено на международной конференции OPAL’2025. Статьи о нем были опубликованы в журналах Sensors & Transducers и RENSIT.
«Одним из перспективных подходов к оптическим вычислениям является применение многощелевой интерференции. Достижение высокой точности в различных оптических экспериментах с использованием многощелевых структур осложняется сложностью изготовления необходимых узких щелей для дифракционных экспериментов с двумя, тремя или четырьмя щелями. Преодоление указанных и аналогичных технических проблем возможно посредством изменения спектра излучения из оптического диапазона в микроволновый, СВЧ-диапазон. 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.
Проведенные тесты показали, что в микроволновом диапазоне удается добиться воспроизведения интерференционной картины как при использовании двух щелей, так и при использовании трех.
«Продемонстрирована возможность регулирования микроволновой двух- и трехщелевой интерференции посредством изменения поляризации или внесения временного сдвига в траектории распространения излучения. В частности, получено практически полное взаимное подавление сигнала в центре СВЧ-излучения при интерференции от двух щелей, вызванное сдвигом фаз излучения от левой и правой щели. В процессе исследования велся поиск квантовых явлений в ближней зоне Френеля и в дальней зоне Фраунгофера. Также рассмотрена возможность компьютерного моделирования рассеяния волн на различных двумерных и объемных объектах (микроволновых преобразователях)», — добавил Д.Ю. Ципенюк.
Для подтверждения соответствия результатов интерференции теоретическим предсказаниям, ученые разработали цифровую модель установки, используя метод PyMeep FDTD. Она не просто способствовала оценке корректности функционирования платформы, но и позволила определить, как изменится интерференционная картина при изменении параметров. В перспективе ученые планируют создать на ее основе нейросеть для виртуального моделирования различных экспериментальных сценариев.
«В дополнение к проведению интерференционных экспериментов, мы провели компьютерное моделирование профилей пучка для той же геометрии щели и длины волны. Данная работа была опубликована 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. Используя данную модель и результаты экспериментальных исследований, мы стремимся разработать действенную и физически корректную архитектуру нейронной сети для реконструирования распределения электромагнитного поля, — отметил В.П. Слободянин. — Нейросеть не нуждается в аналитическом решении и способна экстраполировать поведение поля за пределы данных, использованных для обучения. Благодаря этому мы сможем моделировать разнообразные интерференционные эксперименты без проведения реальных измерений, что значительно сократит время на оптимизацию параметров испытаний».
По мнению исследователей, принципы математического описания, используемые в квантовых вычислениях, применимы и к описанию работы установки. В данном контексте роль кубита – наименьшей единицы информации в квантовых компьютерах – выполняет волна, проходящая через одну щель. К примеру, если 30% излучения смещаются вправо по отношению к центру приемной системы, а 70% – влево, это соответствует кубиту с распределением вероятностей 30/70.
Новую систему можно контролировать, используя те же подходы, что применяются в квантовой механике. Следовательно, новое исследование облегчает изучение и моделирование поведения квантовых систем.
В дальнейшем авторы намерены продолжить исследования с использованием подобных устройств, работающих в микроволновом или видимом диапазоне электромагнитного спектра, и попытаются создать на их основе функционирующую логическую схему. На следующем этапе будет проведено обучение нейронной сети и разработаны первые образцы аналоговых оптических процессоров.
«Экспериментальные данные позволяют рассмотреть возможность создания оптических вычислительных логических элементов, основанных на интерференции световых волн. Благодаря эффектам интерференции можно разрабатывать интерференционные логические вентили и различные типы фотонных интегральных схем. Такие технологии позволят создавать оптические вычислительные аналоговые устройства, способные решать широкий круг задач, которые выполняют обычные компьютеры, — добавил Д.Ю. Ципенюк. — В настоящее время наши усилия направлены на разработку и испытания опытных образцов логических элементов, работающих в СВЧ-диапазоне NOR, NAND, XNOR и других. Вопросами компактификации размеров логических элементов и создания прототипов реальных процессоров мы планируем заняться на следующем этапе развития нашего проекта.
Разработка интерференционных элементов, схожих по своим характеристикам, в частности, в диапазоне длин волн 1,55 мкм, позволит значительно уменьшить габариты устройств и откроет путь к созданию оптических процессоров. Примером практической реализации этой технологии представлен в статье зарубежных исследователей “Разработка и анализ логических элементов NOR, NAND и XNOR на основе эффекта интерференции” в журнале “Квантовая электроника”».
Данная область знаний обладает значительным потенциалом, что подтверждается опытом реализации проектов, использующих аналогичный подход 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, посвященной данной работе, отмечается: «Продемонстрировано, что для выполнения всего необходимого комплекса измерений достаточно использовать набор унитарных двухмодовых поляризационных преобразований. В ходе экспериментальной реализации протокола, в качестве одного из таких преобразований, применяется четвертьволновая пластинка, ориентированная под различными углами”».
В перспективе такие технологии обеспечат оперативное решение сложных задач из области моделирования волновых и колебательных процессов. Среди примеров, требующих решения, можно выделить прогнозирование распространения сейсмических волн во время землетрясения, усовершенствование антенн и расчет резонансных частот для нового моста. Для выполнения этих операций классическому компьютеру потребуется несколько дней. По мнению ученых, правильно настроенный аналоговый оптический вычислитель способен справиться с подобными задачами менее чем за секунду, поскольку он не выполняет последовательные вычисления, а физически моделирует необходимое явление непосредственно «внутри себя».
В завершение своего выступления Д.Ю. Ципенюк рассказал о дальнейших планах исследовательской группы из Физтеха.
«Использование нейросети для построения цифровой модели экспериментальной СВЧ-установки значительно сократит время, затрачиваемое на вычисления при оптимизации параметров прототипа, что позволит разработать высокоэффективные логические элементы типа NOR, NAND, XNOR. В статье, например, рассматривается задача оптимизации конструкции логических элементов для обработки данных, с учетом точности и энергоэффективности при выполнении операций в оптических аналоговых вычислениях “Возможности разработки оптических аналоговых вычислительных устройств” А.В. Гаврилова и В.А. Сойфера в журнале Journal Computer optics», — сказал Д.Ю. Ципенюк.
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации