Содержание
зачем это нужно и почему заняло 15 лет
Анастасия
Никифорова
Новостной редактор
Ученые могут сделать квантовый мир реальностью, однако на их пути есть много препятствий. Одно из них — нежелание фотонов «общаться». «Хайтек» рассказывает о новом методе физиков, который решит проблему и к чему это приведет.
Читайте «Хайтек» в
Фотоны — частицы, представляющие собой квант света, уже продемонстрировали большой потенциал для развития квантовых технологий. В частности, физики изучают возможность создания фотонных кубитов (квантовых единиц информации), которые можно передавать на большие расстояния с помощью фотонов. Однако на этом пути есть важное препятствие.
В чем проблема?
Несмотря на многообещающие результаты предварительных экспериментов, необходим научный прорыв, прежде чем фотонные кубиты можно реализовать в больших масштабах.
Например, известно, что фотоны могут терять энергию и излучение при перемещении из одной точки в другую и не взаимодействуют друг с другом.
Исследователи из Копенгагенского университета в Дании, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Испании и Рурского университета Бохума в Германии недавно разработали стратегию, которая поможет преодолеть одну из этих проблем, а именно отсутствие фотон-фотонного взаимодействия. Их метод, в конечном итоге, поможет в разработке более сложных квантовых устройств.
Более 15 лет экспериментов
Ученые уже давно работают над детерминированным сопряжением одиночных квантовых излучателей (квантовых точек) с одиночными фотонами — более 15 лет. В итоге, они разработали метод, основанный на нанофотонных волноводах.
Детерминированность объекта можно объяснить с помощью учения о детерминизме (от лат. determinare — «ограничивать, очерчивать, определять»). Согласно ему, все объекты взаимосвязаны, а все явления и процессы взаимно определены.
Обычно эти устройства применяли для детерминированных однофотонных источников и источников многофотонной запутанности. Однако оно пригодилось и для инициирования нелинейных операций с фотонами.
Волновод — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. Поток мощности, который переносится волной, находится именно внутри самого канала. Еще один вариант — он сосредоточен в той области пространства, которая примыкает к каналу.
Концепцию таких операций впервые показали в 2015 году. Однако при дальнейшем исследовании этого эффекта они столкнулись с трудностями. Они связаны с вопросами фундаментальной физики, которая лежит в основе этого сложного, однофотонного и нелинейного взаимодействия.
В рамках предыдущих исследований ученые обнаружили, что физика, которая «отвечает» за нелинейное взаимодействие импульсов света, пригодилась и для создания фотонных квантовых вентилей и «сортировщиков фотонов».
Так, ученые провели первое экспериментальное исследование нелинейных квантовых импульсов, которые подвергаются нелинейному взаимодействию из-за связи с детерминистически связанным квантовым излучателем.
Что сделали ученые?
В ходе нового эксперимента исследователи использовали эффективную и когерентную связь одиночного квантового излучателя с нанофотонным волноводом. Цель — обеспечить нелинейное квантовое взаимодействие между однофотонными волновыми пакетами.
Волновой пакет — определенная совокупность волн, которая обладает разными частотами. Они описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве.
Для этого ученые использовали одну квантовую точку — частицу размером в нанометр, которая ведет себя как двухуровневый атом. Ее встроили в фотонно-кристаллический волновод.
Примечательность таких систем, что связь в них является детерминированной. Даже один фотон, запущенный в волновод, взаимодействует с квантовой точкой. Если отправить импульсы, которые содержат два или более фотона, это вызовет квантовые корреляции. Все потому, что только один фотон за раз может взаимодействовать с квантовой точкой.
В итоге, управляя длительностью этого квантового импульса, ученые могут настроить эти корреляции и взаимодействие между фотонами.
Используя свой экспериментальный метод, ученые, по сути, смогли управлять фотоном, используя второй, который опосредован квантовым излучателем. Другими словами, они успешно реализовали нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, заставили частицы «общаться».
К чему это приведет?
В итоге, ученые разработали метод, который позволяет фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом посредством связи с квантовыми точками. Это поможет создать новые направления для создания фотон-фотонных квантовых вентилей. Также открытие пригодится для создания детерминированных устройств сортировки фотонов, которые необходимы, например, для квантовых повторителей.
Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удаленных узлах без физической отправки запутанного кубита на все расстояние. Проще говоря, они усиливают сигнал, и не дают фотонам затухать.
Новая стратегия имеет важные последствия как для исследований в области квантовой физики, так и для развития квантовых технологий. Например, метод откроет новые возможности для разработки квантово-оптических устройств, а также позволит физикам экспериментировать с адаптированными сложными фотонными квантовыми состояниями.
Что дальше?
Ученые не собираются останавливаться и планируют расширить эксперимент. На фундаментальном уровне они хотят глубже понять, как на квантовые состояния света влияют путешествие через одну квантовую точку. Однако ученые уверены — это квантовое взаимодействие можно применить на практике.
Сейчас физики пытаются использовать нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, реализованное в недавнем исследовании, для моделирования колебательной динамики молекул. Это возможно, если сопоставить колебательную динамику сложных молекул с распространением фотонов в усовершенствованных фотонных схемах.
Читать далее:
НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы
Живые организмы сделали Марс непригодным для обитания
Печень может работать более 100 лет: ученые рассказали, как это возможно
На обложке: два фотона, распространяющиеся в волноводе и взаимодействующие с одним квантовым излучателем.
В итоге, ученые добились фотон-фотонного взаимодействия, в результате которого возникают корреляции. Предоставлено: Ле Жанник и др.
3DNews Технологии и рынок IT. Новости Искусственный интеллект, машинное обучен… Вместо электронов фотоны: IBM предлагает… Самое интересное в обзорах 09.01.2021 [12:47], Геннадий Детинич Современные вычислительные возможности классических процессорных архитектур себя исчерпали, уверены в IBM. Более того, они стали препятствием на пути развития систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Прорыв видится в области развития кремниевой фотоники и вычислений в памяти, когда данные обрабатываются там, где они хранятся. И сегодня в IBM доказали, что они нащупали путь к электронике будущего, в которой вместо электронов по цепям полетят фотоны. Фотонная матрица IBM в представлении художника. Источник изображения: IBM Research Специалисты IBM совместно с учёными из нескольких стран разработали и реализовали оптическую вычислительную систему для ускорения работы нейронных сетей. В частности, в компании создали «фотонное тензорное ядро», которое способно выполнять так называемую операцию свёртки — математическую операцию над двумя функциями, которая выводит третью функцию — за один временной шаг. Обычно это простое сложение или умножение, но для обработки одного фрагмента данных требуются миллиарды таких операций, поэтому низкие задержки и малое потребление — это жизненно необходимые требования к таким системам. Выполнение операций над данными в памяти — это дополнительная возможность сэкономить как на потреблении, так и на задержках, поскольку данные не нужно перегонять в процессор и обратно. В разработке IBM данные хранились и обрабатывались в ячейках памяти на основе памяти с фазовым переходом. Следующий шаг к ускорению обработки данных — это мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). Проще говоря, на блок памяти данные поступали в виде света с разной длиной волны. Подобный подход позволяет как расширить канал передачи данных (частотное расширение), так и проводить операции над фотонным потоком данных параллельно. Там, где электроны текли в цепи последовательно, фотонные цепи допускают параллельное течение данных и одновременную обработку каждого из потоков. Это колоссальное ускорение обработки данных! В качестве эксперимента была создана матрица 9 × 4 с максимум четырьмя входными векторами на временной шаг, каждый из которых передавался в виде светового излучения со своей длиной волны. Для операций MAC (умножение-накопление) матрица показала производительность 2 TOPS/с на скорости модуляции 14 ГГц. В IBM рассчитывают, что предложенная схемотехника поможет достичь производительности фотонных схем с вычислениями в памяти значений на уровне PetaMAC/с на мм2 (тысячи триллионов операций MAC), что на три порядка выше современных значений на уровне 1 TOPS/мм2 для текущей электроники. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1029608/vmesto-elektronov-fotoni-ibm-predlagaet-novie-puti-dlya-protsessorov-i-ii Рубрики: Теги: ← В |
физиков создают новую форму света | MIT News
Проведите небольшой эксперимент: возьмите два фонарика в темную комнату и посветите ими так, чтобы их световые лучи пересекались. Заметили что-нибудь необычное? Скорее антиклиматический ответ, вероятно, нет. Это потому, что отдельные фотоны, из которых состоит свет, не взаимодействуют.
Вместо этого они просто проходят мимо друг друга, как равнодушные духи в ночи.
Но что, если бы легкие частицы могли взаимодействовать, притягивая и отталкивая друг друга, как атомы в обычном веществе? Одна дразнящая, хотя и научно-фантастическая возможность: световые мечи — лучи света, которые могут тянуть и толкать друг друга, создавая ослепительные эпические столкновения. Или, что более вероятно, два луча света могут встретиться и слиться в один светящийся поток.
Может показаться, что такое оптическое поведение потребует отклонения от законов физики, но на самом деле ученые из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других стран продемонстрировали, что фотоны действительно можно заставить взаимодействовать — достижение, которое может открыть путь к использование фотонов в квантовых вычислениях, если не в световых мечах.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Science , группа под руководством Владана Вулетича, профессора физики Лестера Вулфа в Массачусетском технологическом институте, и профессора Михаила Лукина из Гарвардского университета сообщает, что они наблюдали группы из трех фотонов, взаимодействующих и , по сути, слипаясь, образуя совершенно новый вид фотонной материи.
В контролируемых экспериментах исследователи обнаружили, что когда они направляли очень слабый лазерный луч через плотное облако ультрахолодных атомов рубидия, вместо того, чтобы выходить из облака в виде одиночных, случайно расположенных фотонов, фотоны связывались вместе в пары или тройки, предполагая, что некоторые своего рода взаимодействие — в данном случае притяжение — имеет место между ними.
В то время как фотоны обычно не имеют массы и движутся со скоростью 300 000 километров в секунду (скорость света), исследователи обнаружили, что связанные фотоны фактически приобрели часть массы электрона. Эти недавно утяжеленные световые частицы также были относительно медленными, перемещаясь примерно в 100 000 раз медленнее, чем обычные невзаимодействующие фотоны.
Вулетик говорит, что результаты показывают, что фотоны действительно могут притягиваться или запутываться друг с другом. Если их можно заставить взаимодействовать другими способами, фотоны можно будет использовать для выполнения чрезвычайно быстрых и невероятно сложных квантовых вычислений.
«Взаимодействие отдельных фотонов десятилетиями было очень давней мечтой, — говорит Вулетик.
Соавторами Vuletic являются Ци-Юнг Лян, Серджио Канту и Трэвис Николсон из Массачусетского технологического института, Лукин и Адитья Венкатрамани из Гарварда, Майкл Гулланс и Алексей Горшков из Университета Мэриленда, Джефф Томпсон из Принстонского университета и Ченг Чинг из Чикагский университет.
Все больше и больше
Вулетик и Лукин возглавляют Центр сверххолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда, и вместе они ищут способы, как теоретические, так и экспериментальные, для поощрения взаимодействия между фотонами. В 2013 году усилия окупились, поскольку команда впервые наблюдала, как пары фотонов взаимодействуют и связываются вместе, создавая совершенно новое состояние материи.
В своей новой работе исследователи задались вопросом, могут ли взаимодействия происходить не только между двумя фотонами, но и между другими.
«Например, вы можете объединить молекулы кислорода, чтобы образовать O 2 и O 3 (озон), но не O 4 , а для некоторых молекул вы не можете образовать даже молекулу из трех частиц», — говорит Вулетик. «Так что это был открытый вопрос: можете ли вы добавить больше фотонов в молекулу, чтобы сделать все больше и больше?»
Чтобы выяснить это, команда использовала тот же экспериментальный подход, что и для наблюдения за двухфотонными взаимодействиями. Процесс начинается с охлаждения облака атомов рубидия до сверхнизких температур, всего лишь одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлаждение атомов замедляет их почти до полной остановки. Затем через это облако иммобилизованных атомов исследователи направляют очень слабый лазерный луч — настолько слабый, что в каждый момент времени сквозь облако проходит лишь горстка фотонов.
Затем исследователи измеряют фотоны, когда они выходят с другой стороны облака атомов. В новом эксперименте они обнаружили, что фотоны вылетают парами и тройками, а не выходят из облака через случайные промежутки времени, как одиночные фотоны, не имеющие ничего общего друг с другом.
Помимо отслеживания количества и скорости фотонов, команда измерила фазу фотонов до и после прохождения через атомное облако. Фаза фотона указывает на частоту его колебаний.
«Фаза говорит вам, насколько сильно они взаимодействуют, и чем больше фаза, тем сильнее они связаны друг с другом», — объясняет Венкатрамани. Команда заметила, что, когда трехфотонные частицы одновременно покидают атомное облако, их фаза смещается по сравнению с тем, что было, когда фотоны вообще не взаимодействовали, и было в три раза больше, чем фазовый сдвиг двухфотонных молекул. «Это означает, что эти фотоны не просто взаимодействуют друг с другом независимо друг от друга, но все вместе сильно взаимодействуют».
Памятные встречи
Затем исследователи выдвинули гипотезу, объясняющую, что вообще могло вызвать взаимодействие фотонов. Их модель, основанная на физических принципах, предлагает следующий сценарий: когда одиночный фотон движется через облако атомов рубидия, он ненадолго приземляется на соседний атом, а затем перескакивает к другому атому, подобно пчеле, порхающей между цветами, пока не достигнет другой конец.
Если другой фотон одновременно путешествует по облаку, он также может провести некоторое время на атоме рубидия, образуя поляритон — гибрид, который является наполовину фотоном, наполовину атомом. Тогда два поляритона могут взаимодействовать друг с другом через свою атомарную составляющую. На краю облака атомы остаются там, где они есть, а фотоны выходят, все еще связанные вместе. Исследователи обнаружили, что то же самое явление может происходить с тремя фотонами, образуя даже более сильную связь, чем взаимодействия между двумя фотонами.
«Что было интересно, так это то, что эти тройняшки вообще сформировались», — говорит Вулетик. «Также было неизвестно, будут ли они связаны одинаково, меньше или сильнее по сравнению с парами фотонов».
Все взаимодействие внутри облака атомов происходит за миллионную долю секунды. И именно это взаимодействие заставляет фотоны оставаться связанными вместе даже после того, как они покинули облако.
«Хорошо то, что когда фотоны проходят через среду, они «вспоминают» все, что происходит в среде, когда выходят», — говорит Канту.
Это означает, что фотоны, которые взаимодействовали друг с другом, в данном случае посредством притяжения между ними, можно считать сильно коррелированными или запутанными — ключевое свойство для любого бита квантовых вычислений.
«Фотоны могут очень быстро перемещаться на большие расстояния, и люди используют свет для передачи информации, например, по оптическим волокнам», — говорит Вулетик. «Если фотоны могут влиять друг на друга, то, если вы можете запутать эти фотоны, а мы это сделали, вы можете использовать их для распространения квантовой информации интересным и полезным способом».
В дальнейшем команда будет искать способы принуждения к другим взаимодействиям, таким как отталкивание, при котором фотоны могут разлетаться друг от друга, как бильярдные шары.
«Это совершенно ново в том смысле, что мы иногда даже качественно не знаем, чего ожидать», — говорит Вулетик. «При отталкивании фотонов могут ли они быть такими, что образуют правильный узор, как кристалл света? Или что-то еще произойдет? Это очень неизведанная территория».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
New Scientist
Исследования кандидата физико-математических наук Серджио Канту привели к открытию новой формы света, который возникает, когда фотографии слипаются, а не проходят друг через друга. «Мы посылаем свет в среду, он эффектно наряжается, как будто это атомы, а затем, когда он снова превращается в фотоны, они помнят взаимодействия, которые происходили в среде», — объясняет Канту Лие Крейн в 9 лет.0009 Новый Ученый .
Полная история через New Scientist →
Newsweek
Статья для Newsweek, Кэтрин Хигнетт сообщает, что впервые ученые наблюдали группы из трех фотонов, взаимодействующих и эффективно производящих новую форму света. «Свет, — говорит профессор Владан Вулетич, руководивший исследованием, — уже используется для очень быстрой передачи данных на большие расстояния по оптоволоконным кабелям.
Возможность манипулировать этими фотонами может позволить распространять данные гораздо более эффективными способами».
Полная история через Newsweek →
Материнская плата
Физики Массачусетского технологического института создали новую форму света, которая позволяет связывать вместе до трех фотонов, пишет Даниэль Оберхаус для Материнская плата . Хотя исследование носит экспериментальный характер, Оберхаус пишет, что три фотона «гораздо прочнее связаны друг с другом и, как следствие, являются лучшими носителями информации», чем другие фотонные кубиты.
Полная история через материнскую плату →
Smithsonian Magazine
Исследование, опубликованное в журнале Science , демонстрирует способность фотонов связываться друг с другом способом, который ранее считался невозможным, — создавая новую форму света. «Танец фотонов происходит в лаборатории Массачусетского технологического института, где физики проводят настольные эксперименты с лазерами», — пишет Марисса Фессенден для Smithsonian .
«Фотоны, связанные таким образом, могут нести информацию — качество, полезное для квантовых вычислений».
Полная история через Smithsonian Magazine →
Ссылки по теме
- Владан Вулетич
- MIT-Гарвардский центр ультрахолодных атомов
- Научно-исследовательская лаборатория электроники
- Факультет физики
- Научная школа
Открыть новый путь к свету — ScienceDaily
Почти через столетие после того, как итальянский физик Этторе Майорана заложил основу для открытия того, что электроны могут быть разделены пополам, исследователи предсказывают, что также могут существовать расщепленные фотоны, согласно исследованию, проведенному Дартмутом и исследователями Политехнического института SUNY.
Открытие того, что строительные блоки света могут существовать в ранее невообразимой расщепленной форме, продвигает фундаментальное понимание света и его поведения.
Теоретическое открытие расщепленного фотона, известного как «бозон Майорана», было опубликовано в Physical Review Letters .
«Это серьезное изменение парадигмы того, как мы понимаем свет, таким образом, который раньше считался невозможным», — сказала Лоренца Виола, семейный профессор физики Джеймса Фрэнка в Дартмуте и старший научный сотрудник исследования. «Мы не только нашли новую физическую сущность, но и то, в существование которой никто не верил».
Подобно тому, как жидкая вода может превращаться в лед или пар при определенных условиях, исследования показывают, что свет также может существовать в другой фазе — той, где фотоны появляются как две отдельные половины.
«Вода остается водой, независимо от ее жидкой или твердой формы. Она просто ведет себя по-разному в зависимости от физических условий», — сказала Виола. «Вот как нам нужно подходить к нашему пониманию света — как и материя, он может существовать в разных фазах».
Вместо кусочков, которые можно физически разорвать, фотонные половинки служат как разные стороны монеты. Две отдельные части составляют единое целое, однако они могут быть описаны и функционировать как отдельные единицы.
ads
«Каждый фотон можно представить как сумму двух отдельных половин», — сказал Винсент Флинн, кандидат наук в Дартмуте и первый автор статьи. «Мы смогли определить условия для изоляции этих половинок друг от друга».
Исследования основаны на основах физики.
Частицы бывают двух разных типов: фермионы и бозоны. Фермионы, такие как электроны, обычно живут поодиночке, избегая друг друга любой ценой. Бозоны, такие как фотоны, склонны собираться вместе. Таким образом, для исследователей было естественным предположить, что расщепление бозонов будет непреодолимой задачей.
Теория Дартмута основана на утечке энергии, рассеивании полостей, которые соединены вместе и заполнены квантовыми пакетами света. Исследование предсказывает, что половинки частиц появляются на краях такой синтетической платформы: был обнаружен майорановский бозон.
«Наше открытие дает первый намек на то, что ранее неизвестная топологическая фаза света и материи, в которой находятся майорановские бозоны, может существовать», — сказал Флинн.
Теоретический вывод основан на предсказании 1937 о существовании нейтральных электроноподобных частиц, известных как майорановские фермионы. В 2001 году исследователи предложили конкретный процесс, благодаря которому количество электронов в некоторых сверхпроводниках может уменьшиться вдвое. Но фотон до сих пор оставался неделимым.
По мнению исследовательской группы, майорановские бозоны можно рассматривать как дальних родственников майорановских фермионов.
«Фермионы и бозоны настолько различны, насколько это возможно в физике», — сказал Эмилио Кобанера, доцент физики Политехнического института SUNY и соавтор исследования. «По сути, частицы являются искаженными изображениями друг друга. Существование майорановских фермионов было нашим главным ключом к тому, что майорановский бозон прятался где-то в кривом зеркале».
Для подтверждения бозона Майорана все равно потребуется лабораторный эксперимент по наблюдению половинок фотона. В отличие от массивных структур, построенных для обнаружения знаменитого бозона Хиггса, эксперимент по обнаружению половинок фотона можно провести на столе.