Немногие технологии так же важны для современной жизни, как возможность точного управления светом. От оптоволоконной связи до квантовых датчиков — управление фотонами лежит в основе большей части цифровой инфраструктуры. Однако одна возможность до сих пор оставалась недостижимой: управление светом с помощью света на самом фундаментальном уровне — с использованием одиночных фотонов для переключения или модуляции мощных оптических лучей.
Исследователи из Университета Пердью достигли этой долгожданной цели, продемонстрировав то, что они называют «фотонным транзистором», работающим при интенсивности в один фотон. В их исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology, сообщается о нелинейном показателе преломления, который на несколько порядков выше, чем у наиболее известных материалов. Этот прорыв может наконец сделать фотонные вычисления практичными.
«Мы продемонстрировали способ создания фотонного транзистора, работающего при интенсивности в один фотон, — сказал Владимир Шалаев, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью. — Это была давняя проблема, и мы нашли потенциальное решение».
Это достижение решает фундаментальную проблему в области фотоники: традиционная оптическая нелинейность, при которой один луч света воздействует на другой, требует огромных уровней мощности.
«Обычно существует оптическая нелинейность, которая позволяет двум пучкам взаимодействовать друг с другом, — говорит Демид Сычев, научный сотрудник группы Шалаева . — Но, как правило, это взаимодействие работает только для макроскопических пучков, для классического света, потому что нелинейный показатель преломления очень мал. Это проблема, потому что этот метод нельзя использовать для одиночных фотонов».
Решение пришло из неожиданного источника: процесс лавинного умножения, используемый в коммерческих однофотонных детекторах. Когда одиночный фотон попадает на кремний и создаёт одиночный электрон, этот электрон может вызвать лавину, в результате которой образуется до 1 миллиона новых электронов. Этот каскад связывает микроскопический квантовый мир с макроскопическими, измеримыми эффектами.
«Это умножение — очень мощный инструмент для связи микроскопического квантового мира с макроскопическим, — сказал Сычев. — Этот принцип часто использовался для однофотонного детектирования, но мы применили его для создания огромной нелинейности оптических лучей, где один однофотонный луч может управлять огромным макроскопическим лучом».
Пэйган Чен, исследователь в группе Шалаева, отметил элегантность подхода. «Когда я только пришёл в группу, я подумал, что это гениальная идея Демида, — сказал Чен. — В будущем мы собираемся создать собственные однофотонные лавинные диоды (SPAD) для этой конкретной конструкции. Но самый простой способ получить первый результат — использовать коммерческий SPAD».
Устройство работает как оптический переключатель: один фотон в управляющем луче может модулировать свойства гораздо более мощного зондирующего луча, эффективно включая и выключая его.
Подход команды из Университета Пердью имеет три ключевых преимущества перед альтернативными методами изучения однофотонной нелинейности.
Во-первых, он работает при комнатной температуре. «Обычно для однофотонной нелинейности в наши дни используют квантовые системы, в которых применяются двухуровневые системы, например однофотонный излучатель, соединённый с резонатором, — сказал Сычев. — Но этот метод очень чувствителен к температуре. Его нельзя применять при комнатной температуре».
Во-вторых, технология совместима с комплементарными металлооксидными полупроводниками, а значит, может быть интегрирована в существующие процессы производства полупроводников. «Это цельная и компактная система, — сказал Чен. — Что касается других систем, то они основаны на совершенно других и сложных физических принципах. Эта система является полупроводниковой, и её всегда можно изготовить на кристалле».
В-третьих, и это, пожалуй, самое важное, он работает на гигагерцовой частоте и потенциально может достигать сотен гигагерц, что значительно быстрее, чем у существующих подходов. «Тактовая частота таких систем может достигать гигагерц, но с помощью разработанных нами методов её можно увеличить до сотен гигагерц», — сказал Сычев.
Хотя эта разработка имеет очевидное применение в квантовых вычислениях, где оно может повысить эффективность генерации одиночных фотонов и ускорить протоколы квантовой телепортации, Сычев считает, что классические вычислительные приложения могут быть ещё более революционными.
«Причина, по которой фотонный компьютер до сих пор не создан, заключается в том, что существующие подходы с использованием фотонов считаются гораздо более эффективными. Фотоны потребляют меньше энергии и работают быстрее, — сказал он. — В идеале с помощью фотонов можно добиться тактовой частоты процессоров в терагерцовом диапазоне по сравнению с существующими 5 гигагерцами в лучшем случае. Но проблема в том, что таких фотонных переключателей не существует. Для необходимого взаимодействия между фотонами обычно требуется высокая мощность оптического излучения. С помощью нашего метода, в принципе, можно работать с одиночными фотонами.
Последствия затронут не только вычислительную технику, но и центры обработки данных, оптические коммуникации и системы передачи данных — везде, где скорость и энергоэффективность фотонов могут заменить более медленную и энергозатратную электронику.