Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) и участвующих в проекте организаций достигли значительного прогресса в фотонике, создав новый чип, который позволяет проецировать тысячи контролируемых лазерных лучей непосредственно в окружающую среду. Эта разработка позволила преодолеть давнюю трудность, с которой сталкивались инженеры: обеспечение эффективной передачи света за пределы чипа, а не его удержание в микроскопических оптических каналах.
Фотонные чипы, которые применяют свет вместо электричества для обработки данных, обладают повышенной скоростью передачи информации и большей пропускной способностью. Ранее значительная часть света оставалась заключенной в микроскопических волноводах, расположенных непосредственно на чипе. Новая платформа позволяет быстро и целенаправленно направлять свет наружу, что создает возможности для разработки дисплеев с более высоким разрешением, компактных лидарных систем, ускорения процессов 3D-печати и создания более производительных квантовых компьютеров.
Исследование, проведенное специалистами из Массачусетского технологического института (MIT), MITRE, Национальных лабораторий Сандии и Университета Аризоны, было опубликовано в журнале Nature. Основой новой платформы послужили микроскопические элементы, возвышающиеся над поверхностью чипа и напоминающие миниатюрные трамплины для лыжников. Благодаря этим структурам лучи света направляются в окружающее пространство.
В каждом фотонном чипе сосредоточено множество эмиттеров, к которым свет подается посредством волноводов, а модуляторы регулируют активацию и деактивацию каждого луча. Для формирования изогнутых элементов ученые применили два материала – нитрид кремния и нитрид алюминия, – которые при охлаждении демонстрируют неодинаковую скорость расширения. Порождаемая этим перепад напряжения приводит к тому, что структуры самопроизвольно скручиваются.
По словам Генри Вэня, приглашенного научного сотрудника Лаборатории электроники MIT и одного из авторов исследования, создание связующего звена между средой, в которой свет распространяется по проводникам внутри чипа, и внешней средой, где он движется свободно, всегда представляло собой значительную трудность. Однако новая разработанная платформа открывает возможность формирования тысяч лазерных лучей с индивидуальной настройкой, способных одновременно взаимодействовать с окружающей средой.
Проект был инициирован в рамках программы Quantum Moonshot, целью которой является разработка платформы для квантовых вычислений, основанной на алмазных кубитах. Для работы этих кубитов необходимо крайне точное управление лазерными лучами. Поскольку в будущем квантовые компьютеры могут включать миллионы кубитов, управление световыми пучками становится важнейшей инженерной задачей, успешно решаемой благодаря новой технологии. В ходе исследований ученые также показали возможности системы, создав детализированные полноцветные изображения размером примерно в половину размера обычной крупицы соли.
Вэня утверждает, что система отличается высокой стабильностью и не нуждается в исправлении ошибок, сохраняя при этом идеальную четкость изображения. Помимо использования в квантовых вычислениях, инновационная технология может быть применена в производстве облегченных очков дополненной реальности, миниатюрных лидарных сенсорах и системах лазерной 3D-печати с повышенной скоростью.