Физики из Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с учеными из Франции и Германии провели анализ данных о возможностях применения световых вихрей в квантовых вычислениях. Они установили, что вихри в потоках квазичастиц — поляритонов — могут быть использованы для осуществления сверхбыстрых вычислений и моделирования черных дыр. О результатах исследования сообщается в Nature Reviews Physics.
Фотоны, являющиеся частицами света, редко взаимодействуют друг с другом. Такая особенность благоприятна для передачи информации, однако создает сложности в управлении световыми потоками, поскольку один луч не способен оказывать существенное воздействие на другой. В связи с этим, разработка оптических логических схем, основанных непосредственно на фотонах, представляет собой непростую задачу. Ученые на протяжении длительного времени стремятся найти метод, позволяющий заставить свет проявлять свойства, характерные для материи, то есть реагировать на внешние воздействия.
Решение этой задачи могут обеспечить поляритоны — свето‑материальные квазичастицы. В полупроводниковой микрополости фотон многократно поглощается и вновь испускается экситоном. В результате этого взаимодействия формируется новая частица — поляритон, которая объединяет характеристики кванта света (фотона) и материальной частицы (экситона). От фотона поляритон наследует легкость и скорость, а от экситона — способность к сильному отталкиванию от других частиц. Эта особенность поляритонов позволяет формировать стабильные структуры, например, вихри и солитоны.
Исследование свето‑материальных квазичастиц продолжается уже более трех десятилетий. В течение длительного времени для их проявления необходимы были чрезвычайно низкие температуры, приближающиеся к абсолютному нулю. Но в последнее время были открыты новые материалы — перовскиты, оксид цинка, органические кристаллы, в которых эти гибридные структуры способны сохраняться при комнатной температуре. Это имеет фундаментальное значение для разработки практических устройств, поскольку устраняется потребность в сложном и дорогостоящем охлаждении.
Международная группа ученых из Франции и Германии, работавшая под руководством Алексея Кавокина из Санкт-Петербургского государственного университета, представила исчерпывающий анализ, посвященный поляритонным вихрям и солитонам. В обзоре авторы рассмотрели известные на данный момент методы управления этими структурами и выделили задачи, требующие дальнейшего решения.
Алексей Кавокин — доктор физико-математических наук и профессор. В Санкт-Петербургском государственном университете он возглавляет лабораторию оптики спина, организованную в рамках программы мегагрантов Правительства Российской Федерации. Под его руководством научные сотрудники университета проводят перспективные исследования в области поляритоники — науки, изучающей гибридные состояния света и материи. 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 настоящем обзоре мы детально рассмотрели два подхода к генерации поляритонов. Первый из них — резонансный, при котором лазер подстраивается на определенную энергетическую величину. При этом частицы повторяют фазу и импульс лазерного излучения, что позволяет прогнозировать их поведение. Благодаря этому удается создавать поляритонные сверхтекучие жидкости, в которых реализуется движение без вязкости и возникает возможность появления изолированных волн — солитонов. Второй подход — нерезонансный, при котором энергия лазерного излучения значительно превышает энергию экситонов. В этом случае первоначально формируется резервуар горячих экситонов, а затем из него создаются частицы жидкого света — поляритоны. При накоплении достаточного количества поляритонов они формируют конденсат Бозе — Эйнштейна: это можно представить как единую, крупномасштабную частицу или волну, фаза которой больше не связана с фазой лазерного излучения», — отметил Алексей Кавокин.
Авторы обзора сделали ряд ключевых выводов. В частности, поляритонные вихри и солитоны представляют собой прочную основу для разработки принципиально новых вычислительных устройств. На данный момент уже созданы элементы цифровой схемы, использующие эти компоненты, демонстрирующие работу на частоте 100 гигагерц. Это существенно превышает возможности современной электроники.
Возможность применения состояния вихря, вращающегося по часовой стрелке или против нее, в качестве кубита – квантового транзистора, способного одновременно находиться в двух состояниях, также заслуживает внимания. Исследования, проведенные в 2024 году специалистами из СПбГУ и Университета Вестлейк в Китае, продемонстрировали, что время когерентности такого кубита во много раз больше времени жизни отдельного поляритона, а точность проводимых операций составляет 95–98%. Этот значительный прогресс сближает нас с перспективой создания полноценных квантовых процессоров на основе поляритонов.
Другой важный аспект связан с фундаментальными научными исследованиями. Гибридные свето-жидкости предоставили удобную платформу для изучения аналоговой гравитации. Движение конденсата поляритонов способно воспроизводить характеристики пространства-времени вблизи горизонта событий черной дыры, что открывает возможности для проверки предсказаний общей теории относительности в лабораторных условиях, ранее доступных лишь с помощью телескопов и наблюдений за отдалёнными космическими объектами.
По результатам проведенных исследований можно утверждать, что физика поляритонов достигла этапа, когда ее применение становится реально осуществимым. Разработка новых материалов, обеспечивающих формирование когерентных потоков свето‑жидкости при обычной температуре, открывает путь к созданию устройств, которые в скором времени смогут заменить лабораторные образцы оптическими процессорами, сверхскоростными каналами связи и квантовыми симуляторами.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ