Ученые из лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, совместно с коллегами из Научного парка СПбГУ, разработали микрорезонаторы на основе галлия и арсенида алюминия. Эти устройства позволяют локализовать свет в ограниченном объеме. В 1992 году, в ходе эксперимента с подобным микрорезонатором, был впервые зафиксирован так называемый жидкий свет – уникальное состояние, в котором проявляются свойства как фотона (квант света), так и другие частицы, например, атом водорода, которые в данном случае называются экситонами. В результате формируются гибридные частицы, сочетающие в себе все характеристики света и способные к взаимодействию друг с другом. Этот квантовый гибрид известен как экситонный поляритон. Для изучения данных гибридных состояний ученые СПбГУ создали микрорезонатор, демонстрирующий исключительную эффективность.
Чтобы наблюдать и изучать состояние жидкого света, необходимо, чтобы фотоны максимально долго удерживались в структуре микрорезонатора – об этом сообщает «Научная Россия Алексей Кавокин, доктор физико-математических наук, возглавляет группу «Квантовая поляритоника» Российского Квантового Центра и является руководителем Лаборатории Оптики спина имени Н.И. Уральцева СПбГУ.
«Для создания устройств необходимо использовать структуры, в которых свет многократно отражается между двумя «зеркалами». В обычных зеркалах, доступных в продаже, свет отражается ограниченное число раз, в то время как в разработанных нами резонаторах это число превышает 50 тысяч — в рекордной структуре наблюдается в среднем 54 тысячи отражений. Изготовление таких структур представляет собой сложную задачу. Это искусственно выращенные многослойные кристаллические структуры, состоящие из нескольких десятков тонких слоев (толщиной менее длины волны света), выполненных из различных полупроводниковых материалов. Даже незначительное отклонение в толщине слоя, всего несколько нанометров, может существенно ухудшить качество структуры Алексей Кавокин.
По словам ученого, достигнутый уровень эффективности в настоящее время является наивысшим в Европе, если оценивать его по количеству прохождений жидкого света.
Структура формируется методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Это означает, что в вакуумной камере на подготовленном кристалле происходит последовательное осаждение атомов один за другим. Используются потоки различных атомов, таких как галлий, мышьяк и алюминий, за которыми необходимо непрерывно контролировать, чтобы обеспечить равномерный рост слоев друг на друге — пока не будет сформирована вся структура, состоящая из нескольких сотен слоев. Обычно этот процесс занимает больше двух суток.
Разработка подобной структуры способна существенно ускорить создание квантовых компьютеров нового поколения. Это связано с тем, что жидкий свет идеально подходит для формирования кубитов – основных элементов квантового компьютера.
«Для функционирования кубита требуются два энергетических уровня, которые должны быть когерентно заселены, что означает одновременное нахождение частиц на обоих уровнях. Наша работа показала, что жидкий свет обладает свойствами подобной частицы. В каждой капле света может присутствовать до тысячи частиц, находящихся в одном квантовом состоянии. Благодаря этому они применимы для создания кубитов, поскольку речь идет не об одной частице, а о большом их количестве. Даже в случае воздействия на одну из частиц, конденсат останется неизменным, сохранив свои ключевые характеристики. При этом, состояние суперпозиции, необходимое для кубитов, также будет сохранено Алексей Кавокин.
Ученый сообщает о текущей разработке квантовой платформы, использующей «жидкий свет». В процессе этой работы уже созданы первые поляритонные кубиты. Также разработан небольшой прототип квантового процессора, содержащий 25 кубитов, в отличие от обычных транзисторов, которые, как правило, одно- или двухкубитные. Для функционирования подобных устройств требуются высококачественные микрорезонаторы.
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации