Новый прорыв в программировании оптических схем: световые вычисления с использованием тончайших волокон

Недавно ученые из Университета Хериот-Ватт (Великобритания) открыли новый мощный метод программирования оптических схем.
Этот метод может сыграть решающую роль в реализации будущих технологий, таких как неразрушаемые сети связи и сверхбыстрые квантовые компьютеры. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Мехул Малик, физик-экспериментатор и профессор физики Школы инженерных и физических наук Университета Хериот-Ватт в Великобритании, объясняет: «Свет может переносить огромное количество информации, а оптические схемы, которые выполняют вычисления с помощью света, а не электричества, рассматриваются как следующий большой скачок в компьютерных технологиях».
«Но по мере того, как оптические схемы становятся больше и сложнее, их становится все сложнее контролировать и изготавливать, что может повлиять на их производительность. Наши исследования демонстрируют другой, более общий подход к проектированию оптических схем, использующий естественные процессы».
Профессор Мехул Малик и его команда провели исследование с использованием коммерческих оптических волокон. Широко используемый во всем мире для передачи Интернета в отдельные дома и на предприятия, этот тип волокна тоньше человеческого волоса и использует свет для передачи данных.
Воспользовавшись естественным рассеянием света в оптических волокнах, они обнаружили, что оптические схемы внутри волокон можно очень точно программировать.
«Когда свет попадает в оптическое волокно, он рассеивается и смешивается сложными способами. Понимая этот сложный процесс и точно формируя свет, попадающий в волокно, мы нашли способ создавать световые цепи среди этого хаоса».
Оптические схемы имеют решающее значение для будущего квантовых технологий, которые разрабатываются на микроскопическом уровне, работая с отдельными атомами или фотонами (легкими частицами). Эти технологии включают в себя мощные квантовые компьютеры с огромной вычислительной мощностью и сети квантовой связи, которые невозможно взломать.
Профессор Мехул Малик объясняет: «Например, оптические схемы необходимы в конце сетей квантовой связи, чтобы можно было измерять информацию после прохождения больших расстояний. Они также являются ключевой частью квантовых компьютеров для выполнения сложных вычислений над легкими частицами».
Квантовые компьютеры обещают значительные достижения в таких областях, как разработка лекарств, прогнозирование климата и исследование космоса. Машинное обучение – искусственный интеллект – это еще одна область, где оптические схемы используются для быстрой обработки больших объемов данных.
Профессор Мехул Малик отмечает, что сила света заключается в его многомерности: «Мы можем закодировать много информации в одной частице света. Ее пространственная структура, временная структура, цвет. Если вы можете вычислить все эти свойства в в то же время вы можете раскрыть огромную вычислительную мощность».
Исследователи также показали, как их программируемые оптические схемы можно использовать для управления квантовой запутанностью. Это явление, при котором две или более квантовые частицы, такие как фотоны, остаются связанными, даже когда они находятся далеко друг от друга. Запутывание играет важную роль во многих квантовых технологиях, таких как исправление ошибок в квантовых компьютерах и реализация наиболее безопасных типов квантового шифрования.
Профессор Мехул Малик и его исследовательская группа в Лаборатории бинарной квантовой информации Университета Хериот-Ватт провели исследование совместно с учеными из таких учреждений, как Лундский университет в Швеции, Римский университет Сапиенца в Италии и Университет Твенте в Нидерландах.
Исследование финансировалось QuantERA, ведущей европейской сетью, объединяющей 39 государственных организаций, финансирующих исследования (rfo) из 31 страны, включая Австрийское агентство по содействию исследованиям (FFG) — национальное агентство по финансированию промышленных исследований и разработок Австрии; и Европейский исследовательский совет (ERC) – организация ЕС, финансирующая передовые исследования.