`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Однофотонный транзистор может стать реальностью

Статья опубликована в №40 (608) от 23 октября

0 
 

Основными элементами традиционных компьютеров являются транзисторы. Идея создания оптических компьютеров, способных проводить миллиарды операций на субсветовых скоростях, уже много лет будоражит умы инженеров и ученых всего мира.

Недавно исследователи Гарвардского университета (США) со своими коллегами из Института Нильса Бора (Дания) предложили новый подход к реализации сильных нелинейных взаимодействий между квантами света, основанный на связи между индивидуальными оптическими эмиттерами и поверхностными плазмонами, образуемыми в проводящей нанопроволоке. Система действует как нелинейный двухфотонный переключатель для входящих фотонов, распространяющихся вдоль нанопроволоки, и может быть использована для создания однофотонного транзистора.

Разработка оптических транзисторов сегодня становится реальностью. Основные цели таких приборов – усиление слабого входного оптического сигнала и возможность управления им с помощью другого. Поиск решения последней задачи представляется наиболее сложным, поскольку, как известно, кванты света (фотоны) слабо взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие двух лучей возможно в нелинейных оптических средах вследствие изменения показателя преломления, но осуществить его на практике оказывается затруднительным.

Дарик Чанг под руководством Михаила Лукина, профессора физического факультета Гарвардского университета, вместе с коллегой из Дании, Андерсом Соренсеном, разработали прибор, подобный однофотонному транзистору, способный контролировать пропускание одиночных фотонов света, в котором оптика и электроника связаны на квантовом уровне с поверхностными плазмонами, двигающимися вдоль границы раздела полупроводника и диэлектрика.

Плазмоны – это кванты колебаний плотности электронной плазмы на поверхности металла плюс фотоны, связанные друг с другом в единое целое и распространяющиеся вдоль поверхности металла. Поток плазмонов еще иногда называют двумерным светом – это не совсем свет, хотя похож на него. Они могут возбуждаться светом и излучать свет той же частоты.

Когда частота возбуждения излучения близка к частоте колебаний плазмы в металле, длина волны плазмонов становится гораздо меньше длины волны возбуждающего света. Это явление позволяет использовать плазмоны в различных технологиях для преодоления дифракционных ограничений, в частности, для создания узких пучков, с помощью которых в оптической микроскопии дальней зоны возможна визуализация отдельных вирусов, молекул ДНК с разрешением порядка нескольких нанометров. Поверхностные плазмоны возникают в результате удержания света вдоль поверхности нанопроволоки (она становится своеобразным волноводом). При этом световые волны когерентно (согласованно) взаимодействуют с электронами, находящимися в ней. По мнению ученых, за счет объединения оптических и электронных свойств поверхностные плазмоны могут образовывать высокоплотные электрооптические связи и способствовать проведению высокоскоростных квантовых вычислений.

Один из подходов к получению нелинейного взаимодействия между фотонами заключается в создании как можно более сильного взаимодействия между светом и веществом. Удерживая свет в очень малом пространстве, можно генерировать очень сильные поля. Именно это делают проводящие нанопроволоки в форме поверхностных плазмонов, так как они удерживают свет в произвольно малом пространстве за счет уменьшения своих размеров.

Таким образом, поверхностные плазмоны могут быть использованы, чтобы перевести близлежащие оптические эмиттеры (например, квантовые точки или молекулы) в состояние, которое разрешает либо запрещает пропускание света по нанопроводу. Основным элементом такого прибора является металлический нанопровод, способный проводить свет подобно оптоволокну и образовывать на своей поверхности плазмоны. В отличие от оптического волокна он значительно тоньше и генерируемые в нем под действием света электромагнитные поля значительно интенсивнее. «Будучи ограниченными в очень узкой области, такой как нанопровод, поверхностные плазмоны начинают обнаруживать свои уникальные свойства. Каждый фотон, падающий на них, взаимодействует с ними. Это и позволяет данному транзистору функционировать», – заявил Дарик Чанг.

Однофотонный транзистор может стать реальностью
Рис.1. Взаимодействие поверхностных плазмонов с одиночным эмиттером: а – двухуровневый эмиттер, взаимодействующий с силой g; б – схематическая диаграмма одиночного падающего фотона, рассеяного в окрестностях резонанса эмиттера. Взаимодействие приводит к появлению отраженного и проходящего полей, амплитуда которых может быть точно рассчитана

В своей работе «A single-photon transistor using nanoscale surface plasmons», опубликованной в журнале Nature Physics, Дарик Чанг и его коллеги показали, что системы, в которых используются сильные связи между отдельными оптическими эмиттерами и распространяющимися поверхностными плазмонами, могут действовать как нелинейные двухфотонные переключатели для падающих фотонов, распространяющихся вдоль нанопровода. Причем работу таких систем можно контролировать с помощью традиционных квантово-оптических методик. В статье также обсуждается создание однофотонного транзистора, в котором наличия (отсутствия) одиночного падающего фотона в запирающем поле достаточно, чтобы разрешить (либо запретить) распространение последующих «сигнальных» фотонов вдоль проводника (рис.1).

Известно, что в оптических волокнах свет распространяется внутри волокна, в то время как поверхностные плазмоны путешествуют по поверхности металлического нанопровода и связываются с электронами, находящимися внутри. Таким образом, поверхностные плазмоны – электрооптические носители сигнала – могут быть использованы для передачи оптически закодированной квантовой информации в будущих электрооптических чипах.

Однофотонный транзистор может стать реальностью
Рис. 2. Однофотонный транзистор использует квантовое запирание, чтобы связывать поверхностные плазмоны

В отличие от оптических волноводов, диаметр которых не может быть меньше длины пропускаемого света, нанопровода могут ограничивать свет вдоль поперечного направления почти любого субволнового размера. Делая их достаточно тонкими, ученые надеются продемонстрировать соединения «квантовая точка–нанопровод» с чувствительностью, достаточной для регистрации одиночных фотонов, которые, в свою очередь, могут хранить квантовые биты (кубиты).

Обычно возбужденная квантовая точка излучает свет во всех направлениях. Спроектировав местоположение квантовых точек вблизи нанопровода, гарвардские исследователи сумели направить их полное выходное оптическое излучение по нанопроводниковому волноводу (рис. 2). «За счет смежного размещения квантовых точек вблизи нанопроводника их выходной сигнал почти полностью разгружается вдоль нанопровода, который действует при этом как суперлинза, фокусируя энергию вдоль своей поверхности», – сообщает Дарик Чанг.

Ученые пришли к выводу, что использование однофотонных транзисторов для передачи и обработки кубитов значительно упростит конструкцию будущих квантовых компьютеров и повысит скорость проведения расчетных процессов. И первый шаг в этом направлении сегодня уже сделан.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT