Что если бы мы могли научить фотоны вести себя как электроны?

Что если бы мы могли научить фотоны вести себя как электроны?

Чтобы разрабатывать футуристические технологии, такие как квантовые компьютеры, ученым необходимо будет найти способы управления фотонами, основными частицами света, точно так же, как они уже могут управлять электронами, основными частицами в электронных вычислениях. К сожалению, фотонами гораздо сложнее манипулировать, чем электронами, которые реагируют на такие простые силы, как магнетизм, который понимают даже дети.

Но теперь впервые под руководством Стэнфорда команда создала псевдомагнитную силу, которая может точно управлять фотонами. В краткосрочной перспективе этот механизм управления может быть использован для отправки большего объема интернет-данных через оптоволоконные кабели. В будущем это открытие может привести к созданию чипов на основе света, которые будут обеспечивать гораздо большую вычислительную мощность, чем электронные чипы. «То, что мы сделали, настолько ново, что возможности только начинают воплощаться в жизнь», – сказал доктор наук Avik Dutt, первый автор статьи, описывающей открытие в науке .

По сути, исследователи обманули фотоны, которые по своей природе немагнитны, чтобы они вели себя как заряженные электроны. Они достигли этого, отправив фотоны через тщательно спроектированные лабиринты таким образом, что световые частицы вели себя так, как будто на них воздействовало то, что ученые назвали «синтетическим» или «искусственным» магнитным полем.

«Мы разработали структуры, которые создавали магнитные силы, способные толкать фотоны предсказуемым и полезным способом», – сказал Шэнхуэй Фан, профессор электротехники и старший научный сотрудник, занимающийся исследованиями.

Хотя эти структуры все еще находятся на экспериментальной стадии, они представляют собой прогресс в существующем режиме вычислений. Хранение информации – это все о контроле переменных состояний частиц, и сегодня ученые делают это путем включения и выключения электронов в чипе для создания цифровых нулей и единиц. Микросхема, которая использует магнетизм для управления взаимодействием между цветом (или уровнем энергии) фотона и вращением (движется ли он по часовой стрелке или против часовой стрелки), создает больше переменных состояний, чем это возможно с простыми включенными-выключенными электронами. Эти возможности позволят ученым обрабатывать, хранить и передавать на фотонные устройства гораздо больше данных, чем это возможно с электронными чипами сегодня.

Чтобы приблизить фотоны к близости, необходимой для создания этих магнитных эффектов, исследователи из Стэнфорда использовали лазеры, оптоволоконные кабели и другое готовое научное оборудование. Построение этих настольных конструкций позволило ученым определить принципы проектирования, лежащие в основе обнаруженных ими эффектов. В конце концов им придется создавать наноразмерные структуры, которые воплощают эти же принципы для создания чипа. Тем временем, говорит Фан, «мы нашли относительно простой новый механизм управления светом, и это здорово».


Источник истории:

Материалы предоставлены Стэнфордской инженерной школой . Оригинал написан Томом Абате. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. Авик Датт, Цянь Лин, Луки Юань, Момчил Минков, Мэн Сяо, Шаньхуэй Фань. Единственная фотонная полость с двумя независимыми физическими синтетическими измерениями . Наука , 2020; 367 (6473): 59 DOI: 10,1126 / science.aaz3071