Forskare vid Heriot-Watt University i Edinburgh, Skottland, har hittat ett kraftfullt nytt sätt att programmera optiska kretsar som är avgörande för leveransen av framtida teknologier, såsom unhackable kommunikationsnätverk och ultrasnabba kvantdatorer.
"Ljus kan bära mycket information, och optiska kretsar som beräknar med ljus - istället för elektricitet - ses som nästa stora språng inom datorteknik", förklarar professor Mehul Malik, en experimentell fysiker och professor i fysik vid Heriot-Watt's School of Engineering and Physical Sciences.
"Men när optiska kretsar blir större och mer komplexa, är de svårare att kontrollera och tillverka – och detta kan påverka deras prestanda. Vår forskning visar ett alternativt – och mer mångsidigt – sätt att konstruera optiska kretsar, med hjälp av en process som sker naturligt i naturen."
Professor Malik och hans team genomförde sin forskning med kommersiella optiska fibrer som används flitigt över hela världen för att transportera internet till våra hem och företag. Dessa fibrer är tunnare än bredden på ett människohår och använder ljus för att bära data.
Genom att utnyttja ljusets naturliga spridningsbeteende inuti en optisk fiber fann de att de kunde programmera optiska kretsar inuti fibern på mycket exakta sätt.
Forskningen publiceras idag i tidskriften Nature Physics .
"När ljus kommer in i en optisk fiber, blir det spritt och blandat på komplexa sätt", förklarar professor Malik. "Genom att lära oss denna komplexa process och exakt forma ljuset som kommer in i den optiska fibern, har vi hittat ett sätt att noggrant konstruera en krets för ljus inuti denna störning."
Optiska kretsar är avgörande för utvecklingen av framtida kvantteknologier - som är konstruerade på mikroskopisk nivå genom att arbeta med enskilda atomer eller fotoner - ljuspartiklar. Dessa tekniker inkluderar kraftfulla kvantdatorer med enorm processorkraft och kvantkommunikationsnätverk som inte kan hackas.
"Optiska kretsar behövs i slutet av till exempel kvantkommunikationsnätverk, så informationen kan mätas efter att den har rest långa sträckor", förklarar professor Malik. "De är också en viktig del av en kvantdator, där de används för att utföra komplexa beräkningar med ljuspartiklar."
Kvantdatorer förväntas låsa upp stora framsteg inom områden som läkemedelsutveckling, klimatförutsägelser och rymdutforskning. Maskininlärning – artificiell intelligens – är ett annat område där optiska kretsar används för att bearbeta stora mängder data mycket snabbt.
Professor Malik sa att ljusets kraft fanns i dess många dimensioner.
"Vi kan koda mycket information på en enda partikel av ljus," förklarade han. "På dess rumsliga struktur, på dess tidsmässiga struktur, på dess färg. Och om du kan beräkna med alla dessa egenskaper samtidigt, låser det upp en enorm mängd processorkraft."
Forskarna visade också hur deras programmerbara optiska kretsar kan användas för att manipulera kvantintrassling, ett fenomen när två eller flera kvantpartiklar - som fotoner av ljus - förblir anslutna även när de är åtskilda av stora avstånd. Entanglement spelar en viktig roll i många kvantteknologier, som att korrigera fel inuti en kvantdator och möjliggöra de säkraste typerna av kvantkryptering.
Professor Malik och hans forskargrupp i Beyond Binary Quantum Information Lab vid Heriot-Watt University genomförde forskningen med partnerakademiker från institutioner inklusive Lunds universitet i Sverige, Sapienza University of Rome i Italien och University of Twente i Nederländerna.
Mer information: Invers design av högdimensionella kvantoptiska kretsar i ett komplext medium, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Heriot-Watt University
