Замороженное оптическое волокно открыло новый путь к энергоэффективным квантовым вычислениям
Исследователи разработали новый тип оптического волокна, заморозив жидкость внутри стеклянного капилляра. Получившаяся структура одновременно проводит световые и звуковые волны и обеспечивает чрезвычайно эффективное взаимодействие между ними. Благодаря этому энергопотребление фотонных нейроморфных вычислительных систем и приложений для квантовой обработки сигналов может снизиться на несколько порядков.
Фазовые переходы, при которых жидкость превращается в твёрдое вещество при охлаждении, происходят повсюду в природе. Подобный процесс можно наблюдать, когда остывающая лава превращается в горную породу или когда зимой замерзают озёра. При этом изменяются физические свойства вещества, включая плотность и показатель преломления, которые влияют на распространение звука и света.
Похожий принцип используется и при производстве обычных оптических волокон. Стеклянные заготовки нагревают, размягчают и вытягивают в тонкие нити, внутри которых формируется сердцевина для передачи световых сигналов. Благодаря этому оптоволокно способно быстро передавать информацию на огромные расстояния и широко используется в телекоммуникациях.
Для специализированных задач разработаны и другие типы оптических волокон, включая волокна для лазеров, эндоскопов и сенсоров. Например, волокна с полой сердцевиной можно заполнять различными газами или жидкостями, превращая их в инструменты для измерения температуры и проведения микроскопических химических исследований.
Учёные заморозили сердцевину оптического волокна
Исследователи из Института науки о свете Общества Макса Планка, Университета Лейбница в Ганновере и Лейбницкого института фотонных технологий в Йене использовали оптическое волокно с жидкой сердцевиной LiCOF. Учёные охладили его до −196 °C в жидком азоте, вызвав переход вещества внутри сердцевины из жидкого состояния в твёрдое.
«Главное заключается в том, что замороженный участок LiCOF сохраняет способность проводить свет. Более того, как жидкий, так и замороженный участки волокна способны проводить гиперзвуковые звуковые волны», — рассказал Симон Зайдерер, один из трёх ведущих авторов исследования и сотрудник группы «Квантовая оптоакустика» под руководством Биргит Штиллер.
В новом волокне исследователи использовали чрезвычайно эффективное взаимодействие между светом и звуком, известное как рассеяние Бриллюэна — Мандельштама. Этот эффект хорошо известен в традиционных оптических волокнах, однако замораживание сердцевины LiCOF позволило создать крайне плотную и ограниченную область, в которой взаимодействие между световыми и звуковыми волнами значительно усиливается.
Взаимодействие света и звука усилилось более чем в 1000 раз
В результате оптоакустическая связь в новом волокне оказалась более чем в 1000 раз сильнее, чем в стандартных оптических волокнах. Используя этот эффект, учёные продемонстрировали работу оптоакустической памяти — важного элемента фотонных нейроморфных вычислительных систем.
Принцип работы такой памяти основан на огромной разнице в скорости распространения света и звука. Информация передаётся от быстрой световой волны значительно более медленной звуковой волне, а затем при необходимости снова преобразуется в световой сигнал.
Сильное взаимодействие между светом и звуком открывает возможность значительно снизить энергопотребление фотонных вычислительных архитектур. Такие системы рассматриваются как перспективная основа для нейроморфных вычислений, способных обрабатывать информацию по принципам, частично напоминающим работу биологических нейронных сетей.
Исследование стало продолжением работ Маркуса Шмидта и Марио Хемница из Лейбницкого института фотонных технологий, которые ранее занимались оптическими волокнами с жидкой сердцевиной. Добавление этапа замораживания позволило добиться значительно более сильных нелинейных эффектов.
«Заморозив жидкую сердцевину, мы создали совершенно новую физическую платформу, которая обеспечивает чрезвычайно сильные нелинейные эффекты и при этом остаётся простой в использовании», — заявила Биргит Штиллер.
По словам исследователей, продемонстрированная оптоакустическая память является лишь первым шагом. Столь сильное взаимодействие света и звука может открыть новые возможности для нейроморфных вычислений, квантовой обработки информации, микроволновой фотоники и высокоточных сенсоров.
Исследование в журнале Optica.