Игорь Лалаянц
Схема нового интегрированного чипа, «накачиваемого» лазером и распределяющего четыре одиночных фотона по волноводам (Routing – рутеры, DET – детектор). Фото Physorg
Ученые давно мечтают о создании оптических и квантовых компьютеров, которые будут не только более мощными, но и устойчивыми к любой попытке залезть в них или в их трафик (АНБ вынуждено будет после этого самораспуститься). Некогда Айзек Азимов нафантазировал, что будущий компьютер, равный по своим «творческим» возможностям человеческому мозгу, будет размером не более апельсина. Думается, что фантаст был не прав. Подобного рода компьютер будет размером с грецкий орех, а то и меньше. Но для этого надо только овладеть способом получения одиночных фотонов (SP – Single Photon).
Так вот одиночные фотоны уже научились получать. Но сам акт их получения непредсказуем и мало управляем. В Оксфорде был предложен метод довольно устойчивого, с эффективностью, достигающей 27%, получения SP с помощью атомов цезия, помещенных в полые оптоволоконные световоды.
Буквально вслед за этим сообщением журнал Laser&Photonics Review опубликовал статью ученых из университетов Сиднея и Ниццы, которые в качестве надежного источника SP в волноводах использовали не отдельные атомы, а соединение легчайшего щелочного металла лития с ниобием (ниобат лития). Свою статью они начали словами: «Ключевым для квантовой оптики и телекоммуникации является получение одиночных фотонов соответствующих длин волн по требованию. Этой цели отвечают литий-ниобиевые волноводы лазерных лучей с низким рассеянием и быстродействующие с частотами более 1 МНz электронно-оптических переключателей, сочетаемых с оптоволокном».
Подобного рода «сочетаемые» платформы получили название гибридных интерфейсов, один из которых в виде мультиплекса из четырех идентичных источников SP исследователи и представили в журнале. По мнению авторов, их интегрированная технология обеспечивает высокую надежность и эффективность передачи, распознавания (сокращенно – DET) и получения фотонов.
Исследователи смонтировали четыре волновода высококачественной генерации одиночных фотонов и их распределения по направлениям (routing) в виде интегрированного оптического чипа длиной 200 микрон и шириной с человеческий волос. С этой целью они использовали производимые микроэлектронной промышленностью стеклянные «роутеры». Французы сделали для гибридно-интегрированного чипа генератор SP из литий-ниобата, дающий четыре фотона одновременно.
После этого оставалось только подключить фемтосекундный лазер (продолжительность которого не превышает 10–15 сек.). Соединение, выбранное учеными, является превосходным материалом для нелинейной оптики, но оно плохо сочеталось с другими компонентами гибридного чипа. Препятствие обошли, использовав волноводы «накачанного» лазерного света, с помощью которых сгенерированные лазером одиночные фотоны направляются к переключателям, проводящим «селекцию» подходящего канала на выходе (output channel). «Производству» SP способствует замедление скорости света, повышающее вероятность «рождения» одиночных фотонов и уменьшающее расходы энергии. Еще одним элементом является делитель (splitter), порождающий интерференцию фотонов.
Функциональным аналогом делителя для плазмонов, созданного в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, пригороде Лос-Анджелеса, стали волноводы, которые авторы статьи в Nature Photonics назвали направляющим сочетателем (coupler). Плазмоны представляют собой поверхностные электроны металла, которые удобнее использовать в качестве квантовых битов (qubits) информации.
Для уменьшения взаимодействия электронов с окружающими атомами исследователи ограничили размер чипа 10 кв. микронами. Плазмоны могут покинуть волновод под «наблюдением» детектора, и при совместном выходе наблюдается их интерференция. Таким образом, в Калифорнии удалось впервые получить интерференцию плазмонов, без чего невозможно будет создание квантовых компьютеров. Сообщение привлекло внимание нанотехнологов, поскольку им привычнее иметь дело с электронами, нежели фотонами, которые пока еще плохо сочетаются с привычными чипами.
Новые чипы помимо решения теоретических задач позволят проводить квантовые измерения большего разрешения и точности, а также моделировать химические и биологические процессы, которые сегодня просто невозможны. Например, молекулярных фармакологов интересуют 3D-изменения формы молекул, подавляющих активность тех же раковых протеинов, которые тоже постоянно претерпевают пространственные изменения.
Сегодня же создателям лекарств приходится полагаться на статичные или «размытые» картины, полученные с помощью рентгеноструктурного и ЯМР-анализа белковых кристаллов. К тому же далеко не все протеины кристаллизуются. Это одна из задач, включающих также разработку разного рода прогнозов, начиная от экономических потрясений, военных катаклизмов и заканчивая погодой, землетрясениями с цунами, песчаными бурями и вспышками численности саранчи.
