От электронов к фотонам, от гигагерц к терагерцам. Ученые создали световой аналог транзистора из «Властелина колец»

Управление светом с высокой точностью лежит в основе современной технологической цивилизации: от оптоволоконной связи и дата-центров до квантовых сенсоров и перспективных квантовых компьютеров. Но один ключевой элемент долго оставался недостижимым - возможность управлять мощным оптическим сигналом с помощью всего одного-единственного фотона, то есть строить настоящие "световые транзисторы".

Исследователи из Университета Пэрдью сообщили, что смогли приблизиться к этой цели и продемонстрировали устройство, которое они называют фотонным транзистором, работающим на уровне одиночных фотонов. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology, а авторы заявляют, что получили нелинейный показатель преломления на несколько порядков выше, чем у лучших известных материалов. Это может стать тем самым прорывом, который сделает фотонные вычисления не экзотикой, а практической технологией.

Главная проблема в фотонике заключается в том, что свет обычно очень слабо "чувствует" сам себя. Чтобы один световой луч повлиял на другой, нужны огромные мощности. Нелинейные эффекты, позволяющие одному пучку света изменять свойства другого, давно известны, но в традиционных материалах они настолько слабы, что речь идет о макроскопических, классических пучках, а не об отдельных фотонах. На уровне единичных квантов света такие схемы просто не работали.

Команда Пэрдью нашла выход, обратившись к уже существующей технологии - лавинному умножению заряда в кремниевых однофотонных детекторах. В таких устройствах один поглощенный фотон создает один электрон, который запускает лавинный процесс и рождает до миллиона новых электронов. Так микроуровень квантового события превращается в крупный, хорошо измеримый электрический сигнал. Исследователи использовали этот же принцип не для регистрации, а для усиления оптической нелинейности: один луч, состоящий из единичных фотонов, через электронную "лавину" начинает управлять гораздо более мощным оптическим пучком.

По сути, создано оптическое устройство, в котором одиночный фотон в управляющем канале может модифицировать свойства сильного зондирующего луча, практически включая или выключая его. При этом авторы подчеркивают три ключевых преимущества подхода. Во-первых, устройство работает при комнатной температуре, в отличие от многих квантовых систем, которым требуются сложные криогенные условия. Во-вторых, технология совместима с КМОП-процессами, то есть потенциально может быть интегрирована в существующие полупроводниковые фабрики и помещена на кристалл рядом с привычной электроникой. В-третьих, переключение уже сейчас достигает гигагерцных частот, а в перспективе, по оценкам исследователей, может быть доведено до сотен гигагерц.

Хотя работа напрямую связана с квантовыми технологиями - более эффективной генерацией одиночных фотонов и быстрыми протоколами квантовой телепортации, сами авторы считают, что наибольший эффект может проявиться в классических вычислениях и связи. Идея фотонного компьютера давно манит исследователей: фотоны движутся быстрее электронов, потребляют меньше энергии и не нагревают чип так сильно. Теоретически тактовые частоты на оптических схемах могут достигать терагерц, по сравнению с несколькими гигагерцами в современных процессорах. Но все упиралось в отсутствие компактных, надежных и маломощных фотонных "переключателей". Новый фотонный транзистор как раз предлагает способ управлять светом при энергиях одиночных фотонов, а не при колоссальных уровнях оптической мощности.

Путь к этой демонстрации занял у команды несколько лет. Идея использовать лавинное умножение для создания гигантской нелинейности родилась еще четыре года назад, после чего исследователям пришлось пройти через серию неудачных экспериментов и постепенно подобрать рабочую конфигурацию. Для первых испытаний они задействовали коммерчески доступные однофотонные лавинные диоды, хотя в дальнейшем планируют разрабатывать собственные структуры, специально оптимизированные под режим оптического переключения.

Сейчас ученые сосредоточены на улучшении устройства: им предстоит экспериментировать с геометрией, материалами и схемой работы, чтобы увеличить скорость, стабильность и ресурс такого транзистора. При этом они подчеркивают, что речь идет не о разовом трюке, а о появлении новой "игровой площадки" для физики и инженерии. Возможность управлять светом на уровне отдельных фотонов открывает путь к целому классу новых приборов для квантовых сетей, оптических процессоров, энергоэффективных дата-центров и систем связи, в которых электроника постепенно уступает место фотонам.

Если потребность в быстрых и экономичных вычислениях и передаче данных будет продолжать расти, как сейчас, то умение управлять светом настолько тонко может стать одной из ключевых технологий следующего технологического уклада. Новый фотонный транзистор показывает, что эта перспектива перестает быть только красивой теорией и постепенно превращается в инженерную задачу, которую уже можно решать в лаборатории.