Профессор Астонского университета (Англия) Михаил Сумецкий и инженер-исследователь из Университета ИТМО (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Никита Торопов создали практичную и недорогую технологию производства оптических микрорезонаторов, обладающих рекордно высокой на сегодняшний день точностью. Микрорезонаторы могут стать основой для создания квантовых компьютеров, об этом в минувшую пятницу, 22 июля, сообщал научно-популярный портал «Чердак» со ссылкой на пресс-службу ИТМО.

Актуальность проведения работ в области создания квантовых компьютеров обусловлена сегодня тем, что ряд очень важных задач не может быть решен с использованием классических компьютеров, в том числе и суперкомпьютеров, за разумный период времени. Речь идет о задачах квантовой физики и химии, криптографии, ядерной физики. Согласно прогнозам ученых, квантовые компьютеры станут важной составной частью распределенной информационно-вычислительной среды будущего. Построение квантового компьютера в виде реального физического объекта является одной из фундаментальных задач физики XXI века.

Исследование российских ученых о производстве оптических микрорезонаторов было опубликовано в журнале Optics Letters. «Технология не требует наличия вакуумных установок, почти полностью свободна от процессов, которые связаны с обработкой едкими растворами, при этом является относительно недорогой. Но самое главное заключается в том, что это еще один шаг к повышению качества передачи и обработки данных, созданию квантовых компьютеров и сверхчувствительных измерительных приборов», – говорится в пресс-релизе Университета ИТМО.



Оптический микрорезонатор – это своего рода ловушка для света в виде очень небольшого, микроскопического утолщения оптоволокна. Так как фотоны нельзя остановить, необходимо как-то задержать их поток, для того чтобы кодировать информацию. Именно для этого и используют цепочки оптических микрорезонаторов. Благодаря эффекту «шепчущей галереи», происходит замедление сигнала: попадая в резонатор, световая волна отражается от его стенок и закручивается. При этом, благодаря округлой форме резонатора, свет может достаточно долго отражаться внутри него. Таким образом, фотоны, движутся от одного резонатора к другому с существенно меньшей скоростью.

Траекторию света можно регулировать, изменяя размеры и формы резонатора. Учитывая размер микрорезонаторов, который составляет меньше десятой доли миллиметра, изменения параметров такого устройства должны быть сверхточными, так как любой дефект на поверхности микрорезонатора может внести хаос в поток фотонов. «Если свет долго крутится, он начинает интерферировать (конфликтовать) сам с собой, – подчеркивает Михаил Сумецкий. – В том случае, если при производстве резонаторов была допущена погрешность – начинается неразбериха. Отсюда можно почерпнуть главное требование к резонаторам: минимальное отклонение в размерах».

Микрорезонаторы, которые были изготовлены учеными из России и Великобритании, выполнены с такой большой точностью, что разница их размеров не превышает 0,17 ангстрема. Чтобы представлять себе масштаб, отметим, что эта величина приблизительно в 3 раза меньше диаметра атома водорода и сразу в 100 раз меньше ошибки, которая допускается при производстве подобных резонаторов сегодня. Специально для производства резонаторов Михаил Сумецкий создал метод SNAP. Согласно этой технологии лазер отжигает волокно, снимая замороженные в нем напряжения. После воздействия лазерным лучом волокно незначительно «распухает» и получается микрорезонатор. Исследователи из России и Англии собираются продолжать совершенствование технологии SNAP, а также расширить диапазон ее возможного применения.



Работа над микрорезонаторами в нашей стране не прекращалась несколько последних десятилетий. В подмосковной деревне Сколково на Новой улице был построен дом под №100. Это дом с зеркальными стенами, которые своей синевой могут соперничать с небом. Речь идет о здании школы управления «Сколково». Одним из арендаторов этого необычного дома является Российский квантовый центр (РКЦ).

Микрорезонаторы сегодня – это достаточно актуальная тема в квантовой оптике. Несколько групп по всему миру непрерывно занимаются их изучением. При этом первоначально оптические микрорезонаторы были изобретены в нашей стране в МГУ. Первая статья о таких резонаторах была опубликована еще в 1989 году. Авторами статьи стали три физика: Владимир Брагинский, Владимир Ильченко и Михаил Городецкий. При этом Городецкий на тот момент времени был студентом, а его руководитель Ильченко позднее перебрался в США, где начал работать в лаборатории NASA. В отличие от него Михаил Городецкий остался в МГУ, посвятив много лет изучению данной сферы. К команде РКЦ он присоединился сравнительно недавно – в 2014 году, в РКЦ его потенциал, как ученого, может раскрыться более полно. Для этого в центре есть все необходимое для опытов оборудование, которого просто нет в МГУ, а также команда специалистов. Еще одним аргументом, который Городецкий привел в пользу РКЦ, стала возможность платить достойную заработную плату сотрудникам.

В настоящее время в команде Городецкого трудится несколько ребят, которые ранее занимались научной деятельностью под его руководством в МГУ. При этом ни для кого не секрет, что удержать многообещающих молодых ученых в России сегодня непросто – перед ними в наши дни открыты двери любых лабораторий по всему миру. А РКЦ – это одна из возможностей сделать блестящую научную карьеру, а также получать адекватную зарплату, не покидая Российской Федерации. В настоящее время в лаборатории Михаила Городецкого ведутся исследования, которые при благоприятном развитии событий смогут изменить мир.



Оптические микрорезонаторы – это основа новой технологии, которая в состоянии повысить плотность передачи данных по оптоволоконным каналам. И это только одно из возможных применений микрорезонаторов. За несколько последних лет одна из лабораторий РКЦ научилась производить микрорезонаторы, которые уже приобретаются за границей. А российские ученые, которые ранее работали в иностранных университетах, даже возвращаются в Россию, чтобы работать в данной лаборатории.

Согласно теории оптические микрорезонаторы можно было бы использовать в телекоммуникационной сфере, где они помогли бы увеличить плотность передачи данных по оптоволоконному кабелю. В настоящее время пакеты данных уже передаются в различном цветовом диапазоне, но если приемник и передатчик будут более чувствительными, то можно будет разветвить одну линию передачи данных на еще большее число частотных каналов.

Но это не единственная область их применения. Также при помощи оптических микрорезонаторов можно не только измерять свет далеких планет, но и определять их состав. Также они могут позволить создавать миниатюрные детекторы бактерий, вирусов или определенных веществ – химические датчики и биосенсоры. Михаил Городецкий обрисовал такую футуристическую картинку мира, в которому уже используются микрорезонаторы: «При помощи компактного прибора, основанного на оптических микрорезонаторах, можно будет определить состав выдыхаемого человеком воздуха, который несет в себе информацию о состоянии практически всех органов в человеческом организме. То есть скорость и точность диагностики в медицине может возрасти просто многократно».



Однако пока это всего лишь теории, которые еще нуждаются в проверке. До готовых устройств, построенных на их базе, еще далеко. Однако, по словам Михаила Городецкого, его лаборатория согласно утвержденному плану должна уже через пару лет придумать, как именно стоит применять микрорезонаторы на практике. В настоящее время наиболее перспективным направлением является сфера телекоммуникаций, а также военная сфера. Микрорезонаторы действительно могут заинтересовать и российских военных. К примеру, они могут использоваться при разработке и выпуске радаров, а также стабильных генераторов сигнала.

Пока что массовый выпуск микрорезонаторов не требуется. Но ряд компаний в мире уже начали выпуск устройств с их использованием, то есть они действительно смогли коммерциализировать свои разработки. Однако речь по-прежнему идет лишь о штучных аппаратах, предназначенных для решения узкого круга задач. Например, американская компания OEWaves (в которой сегодня трудится один из изобретателей микрорезонаторов Владимир Ильченко), занимается выпуском сверхстабильных СВЧ-генераторов, а также отличных лазеров. Лазер данной компании, выдающий свет в очень узком диапазоне (до 300 Гц) с очень небольшими фазовыми и частотными шумами, уже удостоился престижной награды PRIZM. Такая награда – это практически «Оскар» в области прикладной оптики, данная награда выдается ежегодно.

В медицинской сфере южнокорейская группа компаний Samsung совместно с Российским квантовым центром занимается своими разработками в данной области. По информации издания «Коммерсант», данные работы в 2015 году находились на самой начальной стадии, поэтому говорить что-то об изобретениях, которые имели бы прикладное применение, пока что рано и преждевременно.

Источники информации:
//tass.ru/nauka/3478280
//www.kommersant.ru/doc/2740444
https://mipt.ru/education/chairs/nanoelektronika-i-kvantovye-kompyutery
Материалы из открытых источников