Дуэт света и материи. Поляритоны как основа квантовых суперкомпьютеров будущего

Исследователи Сколтеха и их коллеги из Кембриджского университета показали, что поляритоны − необычные частицы, которые могут стать основой квантового суперкомпьютера будущего, способны образовывать структуры, по своему поведению напоминающие молекулы. Такие «искусственные молекулы» в перспективе можно будет создавать по запросу с заранее заданными свойствами. Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Physical Review B Letters. Поляритон представляет собой квантовую частицу, состоящую из фотона и экситона. Благодаря уникальному дуэту света и материи, поляритон открывает широкие перспективы для создания нового поколения устройств на основе поляритонов. Научные сотрудники Факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета Александр Джонстон и Кирилл Калинин и профессор Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха и Кембриджского университета Наталья Берлофф показали, что геометрически связанные поляритонные конденсаты, присутствующие в полупроводниковых устройствах, способны моделировать молекулы с различными свойствами.

Обычная молекула – это совокупность атомов, связанных в определенном порядке. По своим физическим свойствам молекула, например, молекула воды H2O, существенно отличается от входящих в ее состав атомов, в данном случае, атомов водорода и кислорода. «В нашей работе мы показываем, что кластеры взаимодействующих поляритонных и фотонных конденсатов могут образовывать ряд экзотических и совершенно разных структур – «молекул», воздействовать на которые можно искусственным образом. Эти «искусственные молекулы» и входящие в их состав конденсаты имеют принципиально разные энергетические состояния, оптические свойства и моды колебаний», − рассказывает Александр Джонстон.   В процессе численного моделирования двух, трех и четырех взаимодействующих поляритонных конденсатов исследователи обратили внимание на наличие необычных асимметричных стационарных состояний; при этом лишь некоторые из конденсатов имели одинаковую плотность в основном состоянии. «В ходе дальнейшего исследования мы обнаружили, что такие состояния могут принимать самые разные формы, которыми можно управлять, настраивая отдельные физические параметры системы. На основе этих наблюдений мы сделали предположение о существовании «искусственных поляритонных молекул» и предложили исследовать возможности их использования в квантовых информационных системах», − продолжает Александр Джонстон.   Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.

В частности, исследователи рассмотрели так называемую «асимметричную диаду», состоящую из двух взаимодействующих конденсатов с неравным количеством частиц, несмотря на то , что на них попадает одинаковое количество света. При объединении двух диад образуется тетрадная структура, аналогичная в каком-то смысле гомоядерной молекуле, например, молекуле водорода H2. Кроме того, искусственные поляритонные молекулы могут образовывать более сложные структуры, которые можно рассматривать как «искусственные поляритонные соединения».   «Мы не видим никаких препятствий для создания более сложных структур. Так, наше исследование позволило выявить наличие у тетрадных конфигураций широкого спектра экзотических асимметричных состояний, причем в некоторых структурах все конденсаты имели разную плотность (несмотря на одинаковую прочность всех соединений), что позволяет провести аналогию с химическими соединениями», − добавляет Александр Джонстон.   Если в отдельных тетрадных структурах каждую асимметричную диаду рассматривать как отдельный «спин», определяемый ориентацией асимметрии плотности, то это повлечет за собой интересные изменения в степенях свободы системы (независимых физических параметрах, необходимых для определения состояний): за счет наличия «спинов» появится дискретная степень свободы в дополнение к непрерывным степеням свободы, которые определяются фазами конденсата.   Управлять относительной ориентацией каждой из диад можно, варьируя силу связей между ними. Поскольку использование некоторой гибридной дискретно-непрерывной системы может повысить точность и эффективность квантовой информационной системы, исследователи предложили использовать в качестве основы такой системы гибридную тетрадную структуру.   «Кроме того, мы обнаружили множество экзотических асимметричных состояний у триадных и тетрадных систем. Для обеспечения плавного перехода от одного состояния к другому достаточно просто изменить мощность лазера при получении конденсатов. Учитывая наличие такого свойства, можно предположить, что эти состояния могут стать основой для поляритонной логической системы, которая использует не ноль и единицу как в классических вычислениях, а более широкий набор дискретных состояний.  С помощью такой логики можно было бы создавать поляритонные устройства с существенно более низким уровнем рассеивания мощности по сравнению с традиционными методами, причем работающие на несколько порядков быстрее», − отмечает профессор Наталья Берлофф.