Физики из России и зарубежных стран создали новый тип компактного нанолазера, который можно использовать в качестве основы для световых и квантовых компьютеров будущего, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Поляритоны предлагают альтернативную платформу для квантовых вычислений. Самое главное, как показала наша работа с группой из Мичигана, поляритонные конденсаты прекрасно себя чувствуют при комнатной температуре. Я убежден, что полупроводниковая платформа для квантовых технологий может быть создана в России за короткий срок. И здесь мы могли бы даже обогнать Google", – заявил Алексей Кавокин из Санкт-Петербургского государственного университета.
Поляритоны представляют собой одну из относительно недавно созданных виртуальных частиц, которая, как и фотон, одновременно ведет себя как волна и как частица. Он состоит из трех компонентов — оптического резонатора (набора из двух зеркал-отражателей), заточенной между ними световой волны и квантового колодца – атома и вращающегося вокруг него электрона, который периодически поглощает и испускает квант света.
Как показывают недавние опыты и теоретические расчеты российских физиков, поляритоны можно использовать в качестве переносчиков информации в световых и квантовых компьютерах будущего, а также в качестве основы для различных компактных источников света и других форм электромагнитного излучения.
Как рассказывает Кавокин, за последние несколько лет и российские, и зарубежные ученые использовали это свойство поляритонов для создания компактных лазеров, способных работать при комнатной температуре и потреблять очень небольшое количество энергии. Несмотря на подобные плюсы, такие лазеры нельзя было применять на практике, так как их конструкция в принципе не позволяла управлять их поляризацией, что критически важно для передачи и кодирования информации.
Кавокин и его коллеги из Университета ИТМО, а также США, Великобритании и Италии смогли решить эту проблему, "нарушив" законы физики, управляющие поведением электронов и тем, как те участвуют в накачке лазера. На поляритоны, как отмечают ученые, подобные ограничения действуют не всегда, так как при очень низких температурах они превращаются в особую экзотическую форму материи, так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.
"Обычно в поляритонном лазере образуются два конденсата Бозе-Эйнштейна. Оба конденсата излучают независимо, и в итоге направление поляризации является случайным. Если бы удалось накачивать преимущественно один конденсат, это позволило бы, во-первых, получать стабильное циркулярно-поляризованное излучение, а во-вторых, дополнительно снизить энергопотребление", — объясняет Иван Иорш, доцент Университета ИТМО в Санкт-Петербурге.
Российские и зарубежные ученые поняли, как решить эту проблему, и заставили поляритоны работать и при комнатной температуре, используя необычный источник электронов – фрагмент ферромагнитного материала, сплав железа, кобальта и оксида магния. Как отмечают исследователи, свойствами электронов в них можно управлять при помощи внешнего магнитного поля, что позволяет гибко и быстро менять поляризацию лазерного излучения, порождаемого этими электронами.
Подобные лазеры, как отмечает Кавокин, позволят не только ускорить работу обычных оптоволоконных сетей, но и создать световые и квантовые компьютеры, работающие при комнатных температурах. Это упростит их конструкцию и приблизит нас к их созданию, заключают ученые.