Ученые из Дармштадтского университета в Германии на минуту задержали световой импульс внутри кристалла и использовали его для хранения изображения. Это открывает возможности для создания световых компьютеров, которые будут работать быстрее современных электронных процессоров и транзисторов.
Полученные результаты могут иметь практическое значение для будущих компьютерных систем, работающих с использованием света, и проложить путь к квантовым вычислениям и коммуникациям.
«Мы приближаемся к основным пределам возможностей традиционной электронной обработки данных», — сказал профессор Томас Хальфманн, координатор финансируемого ЕС проекта Marie Curie Initial Training Network — «Когерентная обработка информации в твердых телах, легированных редкоземельными ионами» (CIPRIS).
Обычно свет распространяется со скоростью чуть менее 300 миллионов метров в секунду, что делает его самым быстрым объектом во Вселенной. Специалисты в области компьютерных наук и физики считают, что компьютеры будущего должны быть оптическими, чтобы обеспечить более высокую скорость обработки данных.
В настоящее время оптические технологии в основном используются в коммуникационных сетях, где свет передает информацию по оптическим волокнам. Однако на концах волокон световые сигналы необходимо преобразовывать в электрические сигналы, которые компьютеры используют для обработки информации, и обратно.
Есть надежда, что в будущем оптические квантовые компьютеры смогут обрабатывать информацию с помощью света. Первый шаг на пути к этому — возможность хранить оптические данные в квантовых системах.
«Нам нужны носители для хранения света, и это то, что называется оптической или квантовой памятью, — сказал профессор Халфманн. — Мы продемонстрировали оптическую память в твердотельной квантовой системе, которая может хранить свет в течение одной минуты».
Для этого они использовали управляющий лазер, чтобы регулировать скорость света в кристалле с низкой концентрацией ионов — электрически заряженных атомов — празеодима. Когда источник света соприкасался с кристаллом, он быстро замедлялся. Затем ученые выключали лазерный луч, и свет полностью останавливался.
С технической точки зрения свет не был остановлен, но был преобразован в атомную среду, — объяснил профессор. Халфманн. «Мы преобразуем световой импульс в так называемый атомный осциллятор.
Проще говоря, мы передаем энергию от одного осциллятора, светового поля, к другому осциллятору, атому, и она там остается, а потом ее можно извлечь».
Сохранение изображения
Исследователи нанесли на световой импульс изображение, состоящее из трех полос, и продемонстрировали, что могут хранить изображение в кристалле в течение минуты, а затем извлекать его, разрушая предыдущую запись, которая хранилась менее десяти микросекунд.
Тот факт, что они сохранили изображение, важен для развития вычислительной техники, поскольку если один световой импульс содержит один «бит» данных, то изображение — множество.
«Эти полосы — всего лишь одно из простых изображений, которые можно сохранить, но, по сути, вы можете сохранить любое изображение», — сказал профессор Халфманн.
Обычно время хранения света очень короткое, потому что «возмущающие факторы» нарушают колебания. Однако команде удалось добиться рекордного времени хранения, защитив осциллятор с помощью магнитных полей и высокочастотных импульсов.
Используя сложные алгоритмы, они смогли оптимизировать лазерные лучи, магнитное поле и высокочастотные импульсы таким образом, чтобы колебания в кристалле длились почти максимально возможное с теоретической точки зрения время.
Профессор Хальфманн сравнил процесс улавливания света с тем, как человек бежит сквозь толпу на ярмарке с портфелем, полным бумаг. «Когда вы бежите, вы сталкиваетесь с людьми, и если вы сталкиваетесь с ними достаточно часто, то теряете свой чемодан, свои данные, свои бумаги».
Итак, мы экранируем информацию с помощью магнитных полей и каким-то образом защищаем ее. Это как если бы вы шли по ярмарке в сопровождении телохранителей, здоровенных крепких парней. Они защищают вас, пока вы пробираетесь сквозь толпу, и с вами и вашим чемоданом с документами ничего не случается.
Ученые почти достигли теоретического предела хранения данных в кристалле, который они использовали в этом исследовании, — 100 секунд. Но в их лаборатории уже есть другой кристалл, и они начали с ним работать.
Несмотря на некоторые разногласия по поводу точных сроков, новый кристалл теоретически способен хранить световой импульс от нескольких часов до недели. Профессор Халфманн считает, что через два-три года они снова будут близки к пределу возможностей этого кристалла.
Квантовые компьютеры могут быть гораздо мощнее
Квантовые компьютеры могут совершить революцию в науке, предложив новый способ решения сложных задач, недоступных для стандартных транзисторных компьютеров.
В то время как обычные компьютеры ограничены "битами’, сокращенно от двоичных цифр (0 или 1), квантовые компьютеры могли бы быть намного мощнее, потому что они могли бы хранить информацию в кубитах, сокращенно от квантовых битов, используя фотоны или атомы.
Это связано с тем, что атом может одновременно находиться в разных энергетических состояниях, а фотон света может иметь несколько поляризаций.
Это значит, что квантовый компьютер сможет взламывать многие виды шифрования данных, которые используются сегодня.
Однако, по мнению многих исследователей, до появления работающих квантовых компьютеров еще пять-десять лет, и может пройти еще пара десятилетий, прежде чем квантовые компьютеры будут обладать достаточным количеством кубитов для выполнения сложных математических задач.