Содержание |
2025: В МФТИ разработали основу для сверхбыстрых оптических компьютеров
Учёные МФТИ перенесли эксперимент Юнга с двумя щелями из видимого в микроволновой диапазон и создали платформу, где картиной интерференции можно управлять с большой точностью. Это открывает путь к созданию оптических компьютеров, способных за доли секунды решать сложные задачи — от моделирования сейсмических волн до оптимизации антенн. Об этом университет сообщил 27 ноября 2025 года.
Классический опыт Юнга, который демонстрируют школьникам при изучении интерференции света, наглядно показывает его волновую природу. Когда волны одной частоты проходит через две узкие щели, они начинают взаимно усиливать или гасить друг друга, рисуя на экране картину из темных и светлых полос.
На декабрь 2025 года учёные пытаются использовать это свойство, чтобы создать более мощные и быстрые оптические компьютеры. Внутри них вычисления происходят не за счет движения электронов, а благодаря управляемой интерференции волн.
Чтобы воспроизводить и менять интерференционную картину в видимом свете, необходимо сложное и чувствительное оборудование. Размер щелей и точность изготовления щелей для установки должен быть доли или единицы микрометров. Это существенно усложняет технически, требует гораздо больше времени и сильно повышает стоимость экспериментов. Перенести его в более доступную среду помогла хитрая идея учёных МФТИ: использовать вместо видимых волн — микроволновые. Поскольку длина микроволн измеряется миллиметрами и сантиметрами, все элементы установки для опыта — щели, экраны, детекторы — становятся макроскопическими и удобными для управления.
 | В лаборатории мы не только смогли точно воспроизвести интерференционную картину с двумя и тремя щелями в микроволновом диапазоне, но и доказали: управлять ей можно теми же методами, что и в квантовой механике. Например, вносить фазовые задержки с помощью диэлектрических пластин или менять поляризацию волн. Теперь изучать и имитировать поведение квантовых систем намного проще, — сказал Дмитрий Ципенюк, доцент Кафедры общей физики МФТИ. |  |
Чтобы подтвердить, что наблюдаемая интерференционная картина точно соответствует теоретическим предсказаниям, ученые создали модель на основе PyMeep FDTD – точную цифровую копию установки. С её помощью удалось не только подтвердить результаты, но и спрогнозировать, как изменится картина, если подкрутить параметры.
| | Мы считаем, что описание отклонения света или микроволнового излучения вправо или влево после одной щели можно описать той же математикой, что и кубит. Например, если правая часть приёмной системы микроволнового излучения займёт 30%, а левая часть займёт 70%, то мы получим кубит с распределением вероятностей 30/70. Способ построения настоящей логической системы на основе данного подхода будет областью наших будущих исследований на основе наборов отдельных щелей (преобразователей) в микроволновом или видимом диапазонах, — рассказал доцент Кафедры общей физики МФТИ Валерий Слободянин. | |
На основе данных этой модели ученые планируют обучить нейросеть и создать первые прототипы аналоговых оптических процессоров. В перспективе такие устройства смогут быстро решать задачи, где нужно смоделировать волновые и колебательные процессы.
| | Например, если вам нужно быстро рассчитать резонансные частоты нового моста, как распространяются сейсмические волны во время землетрясения или оптимизировать форму какой-нибудь антенны, на цифровых компьютерах вы будете делать это несколько дней. Аналоговый оптический симулятор, настроенный на нужные параметры, выдаст результат за доли секунды. Ему не надо отдельно просчитывать шаг за шагом – он сам физически может воспроизвести это волновое явление, — дополнил Константин Севастьянов, один из авторов работы, студент 3 курса бакалавриата МФТИ. | |
2023
Разработка наноустройства применяемое, как транзистор для оптического компьютера
Физики ИТМО и Академического университета им. Ж.И. Алферова разработали устройство, которое может применяться как транзистор для оптического компьютера. Разработка позволяет без использования электрических проводников создавать электрическое поле в наноструктуре. Ученые смогли не только теоретически описать этот процесс, но и экспериментально продемонстрировать его в наноантенне. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications. Об этом 21 сентября 2023 года сообщили в ИТМО. Подробнее здесь.
Обнаруженный эффект наночастиц позволит создавать наноантенны для квантовых и оптических компьютеров
Международный коллектив физиков показал, что определенная форма позволяет наночастицам быть в электромагнитном смысле больше своих геометрических размеров. Об этом 14 августа 2023 года сообщили представители МФТИ. Обнаруженный эффект поможет в создании биологических сенсоров, материалов для солнечных батарей и элементов оптических и квантовых компьютеров. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
В диэлектрической фотонике, изучающей, как свет взаимодействует с наночастицами из различных непроводящих структур, существовал теоретический предел рассеяния света наночастицей.
| | «Когда излучение лазера падает на наночастицу, она рассеивает электромагнитную энергию в виде набора четко определенных сферических волн — мультиполей. Каждый мультиполь — это канал рассеяния, по которому утекает часть рассеянной энергии. В научном сообществе широко было признано, что каждый такой канал не может нести мощность больше определенного предела», — рассказывает Адриа Канос Валеро, первый автор исследования, научный сотрудник ИТМО. | |
Научная группа под руководством Александра Шалина из МФТИ исследовала, как максимизировать рассеяние от кластеров наночастиц. В ходе работы ученые обнаружили, что в большинстве ситуаций рассеяние больше, чем предполагалось. Сначала исследователи подумали, что это численная ошибка. Но затем быстро поняли, что в основе лежит физический принцип. Александр Стихарёв, Shtab: Российскому рынку collaboration-систем не хватает экосистемности 
Оказалось, что существовавший ранее предел рассеяния хорошо определен для идеальных сценариев: когда свет рассеивается на сферической частице или на бесконечно длинном нанопроводе. В общем случае при рассеянии образуются несколько каналов-мультиполей, которые могут интерферировать, увеличивая или уменьшая мощность, которую они несут. Ученые задумались, насколько еще можно выйти за предел рассеяния.
Ключ к ответу на этот вопрос лежал в физике связанных состояний в континууме. А именно, в особом виде интерферирующих резонансов, известных как механизм резонансов Фридриха — Винтгена. Ранее были описаны квазисостояния с сильно подавленным рассеянием. В них возникает деструктивная интерференция, когда волны от мультиполей складываются «в противофазе», подавляя друг друга. Исследователи поняли, что в их случае резонансы с увеличенным рассеянием следуют той же физике. Только интерференция получается конструктивная: когда волны складываются «в фазе», усиливая друг друга.
Ученые построили модель и рассчитали форму наночастиц, при которых можно «нарушить» предел и добиться сверхрассеяния. Затем экспериментаторы по рецепту теоретиков изготовили подходящие керамические частицы и проверили предсказания с помощью микроволновой спектроскопии.
| | «Это, прежде всего, фундаментальный эффект. Некоторые коллеги, которым я кратко рассказывал о наших результатах, не верили: говорили, что так не может быть. Теперь они могут почитать статью и убедиться, что может», — рассказывает Александр Шалин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических структур МФТИ. | |
Помимо фундаментальной важности, у сверхрассеяния есть и потенциальные практические приложения. Так как этот эффект очень чувствительный, на его основе можно будет разрабатывать биосенсоры и материалы для солнечных батарей, а также оптические наноантенны для квантовых и оптических компьютеров.
| | «Одно из потенциальных практических применений, которое хорошо иллюстрирует обнаруженный эффект, — это создание некоторого щита от электромагнитных сил и излучения. На картинке видно, что свет частицу огибает, а тень получается значительно больше самой частицы. Получается, что за ней можно `спрятать` что-то крупнее, чем сама частица», — поясняет Александр Шалин. | |
Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
Российские физики обнаружили материал для создания компактных световых компьютеров
В начале июня 2023 года физики из России и Европы выявили, что двумерную форму нитрида бора можно использовать для создания ультрафиолетовых волноводов и различных других нанофотонных устройств.
Как сообщается в пресс-службе Московского физико-технического института (МФТИ), исследователи долгое время полагали, что все твердые материалы в природе имеют только трехмерную форму. Но уже к середине столетия математики и физики-теоретики доказали обратное: «плоские» атомные структуры могут существовать в принципе и что они могут быть стабильными.
Научный сотрудник МФТИ Георгий Долгопрудный рассказал о том, что ультрафиолетовая нанофотоника только зарождается. Нужно уменьшить длину волны света, чтобы уменьшать размеры фотонных устройств. Ученые продемонстрировали, что нитрид бора прекрасно подходит для этого в связи с тем, что у него очень высокая оптическая анизотропия. Долгопрудный добавил, что ученые из МФТИ и коллеги из Института физики РАН пришли к такому выводу в ходе опытов с гексагональным нитридом бора, одной их форм двумерных материалов с необычными физическими и оптическими свойствами. Долгопрудный сообщил, что им удалось найти, переходный мостик, который позволял бы перейти от электроники к фотонике. На июнь 2023 года, ученые продолжают свою работу над тем, чтобы в реальной квантовой интегральной схеме показать это превосходство света по сравнению с электроном.
По информации МФТИ, ученым удалось впервые измерить оптические свойства гексагонального нитрида бора. Исследователи выяснили, что этот материал обладает рекордно высоким коэффициентом преломления - 2,75 при взаимодействии с ультрафиолетовым излучением. По словам исследователей, гексагональный нитрид бора можно использовать для создания фотонных элементов порядка десятков нанметров, а это сопоставимо с размерами транзисторов в интегральных схемах компьютерных схем.
Первый исследовательский материал под названием графен был обнаружен в 2004 году. Позднее в физике и химии были открыты многие другие плоские материалы, не уступавшие по своим свойствам этому материалу: соединения серы и молибдена, гексагональный нитрид бора и другие простые по структуре вещества.[1]
2021: Ученые создали структуру для разработки компактных деталей оптического компьютера
Группа ученых из Университета ИТМО, Национального Университета Колумбии и Университета Сиены разработала особую по своим свойствам структуру. С ее помощью можно намного эффективнее управлять электромагнитными поверхностными волнами — локализованными волнами, которые распространяются вдоль различных поверхностей. Это открывает иные возможности в создании компактных оптических устройств для передачи и обработки данных. Об этом Университет ИТМО сообщил 19 августа 2021 года.
Явление поверхностных волн изучено учеными уже достаточно давно. Наглядный пример этого явления — поверхностные волны на воде, которые выглядят как расходящиеся круги от брошенного камня. Электромагнитные поверхностные волны в оптике — это перспективный способ передачи локализованного света в плоскости, который важен для разработки миниатюрных оптических и оптоэлектронных систем передачи и обработки данных — антенн и усилителей, оптических схем и передатчиков, экранов и сенсоров, а также элементов оптического компьютера. Однако есть ряд проблем, не позволяющих внедрить этот метод в реальные устройства.
| | Так как поверхностные волны расходятся кругами, на больших расстояниях от источника они теряют практически всю энергию. Тогда ученые научились передавать оптический сигнал из точки в точку в режиме каналирования, когда волна распространяется узким пучком вдоль заданного направления. Но используя этот режим, достаточно сложно переключаться между разными направлениями распространения света. И, кроме того, в режиме каналирования раньше никому не удавалось контролировать поляризацию передаваемых в плоскости волн. Поляризация света — это фактически оптический бит, то есть управление поляризацией позволяет `зашивать` информацию в свет, - объяснил научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Олег Ермаков. | |
Ученым ИТМО удалось решить все эти задачи с помощью особого типа двумерной структуры — самодополняющей метаповерхности, состоящей из двух периодически повторяющихся элементов: дипольной антенны и щели в металлическом слое такой же формы.
| | Наша структура подчиняется принципу Бабине, благодаря чему элементы метаповерхности переходят в себя при инверсии, открывая особые свойства. Удивительно, что следуя этому фундаментальному и давно известному закону оптики нам удалось реализовать достаточно простую структуру и сразу решить многие задачи, над которыми ученые бились годами, - добавил Олег Ермаков. | |
Пока что предложенная структура может работать только в микроволновом, терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазонах. То есть полученную метаповерхность можно уменьшить только в тысячу раз, а, например, не в миллион. При этом ученые уверены, что данную технологию возможно реализовать и в видимом диапазоне с помощью диэлектрических структур, над чем они и продолжают работу.
Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
Смотрите также
