Руководитель научных групп в Российском квантовом центре (РКЦ) и «Росатом Квантовые технологии», сотрудник кафедры РКЦ в МФТИ, Дмитрий Чермошенцев рассказал корреспонденту журнала «За науку» о новейшей разработке — сжатом свете на чипе, который совершит прорыв в квантовых технологиях и медицинской диагностике.
«За Науку»: Что такое сжатый свет?
Дмитрий Чермошенцев: Стоит начать с того, что собой представляет свет вообще. Физики определяют свет как поток частиц — фотонов, и как некоторое состояние электромагнитного поля — колебание, электромагнитную волну. Графически, для простоты, плоскую световую волну изображают в виде синусоиды в трехмерной системе координат.
Исходя из этого представления, у световой волны выделяют две основные характеристики: амплитуду — расстояние между верхней и нижней точкой синусоиды, и фазу — конкретную точку кривой. С другой стороны, поведение отдельных частиц света также можно описывать через координаты и импульс. Отдельные частицы света сложно детектировать, в том числе потому что при этом проявляется так называемый принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно измерить и координату (фазу), и импульс (амплитуду) квантовой частицы — только что-то одно.
В приборах, измеряющих параметры световых сигналов, неопределенность создает так называемый квантовый или дробовой шум. Но оказывается, что предел чувствительности приборов, которые по-другому называют стандартным квантовым пределом, можно обойти: увеличив неопределенность одного параметра, можно сделать более точным измерения второго. Именно этого нам удалось достичь.
Мы разработали чипы, в которых световые сигналы распространяются в специальном резонаторе. Нелинейные эффекты, возникающие в резонаторе, позволяют генерировать свет, у которого уменьшена неопределенность одного из параметров светового сигнала. Это и есть то, что мы называем «сжатым светом».
«ЗН»: Как получают сжатый свет на чипе?
ДЧ: Прямоугольный чип размером 10 х 5 мм изготовлен из полупроводника — нитрида кремния. На нем вырезаны несколько колец диаметром около 0,1 мм — это резонаторы.
На чип со специальной структурой — кольцевым резонатором — направляют лазерное излучение. Попадая в резонатор, свет многократно циркулирует по кольцу. Если длина окружности кольца равна целому числу длин волн света в кольце, возникает резонанс: при каждом обороте волна складывается сама с собой и усиливается.
Кольцевой резонатор избирательно усиливает только те длины волн, которые удовлетворяют условию резонанса. Поэтому длину волны лазера подбирают соответствующим образом. В результате интенсивность света внутри резонатора может в тысячи раз превышать интенсивность входящего излучения.
При небольших интенсивностях материал реагирует на свет линейно: отклик материала пропорционален электрическому полю световой волны. Однако если возникает такое сильное поле, как в резонаторе, зависимость становится нелинейной. Электроны начинают колебаться не только на частоте падающего света, но и на других частотах, что приводит к возникновению нелинейных оптических эффектов.
Кроме того, в нелинейной среде фотоны начинают воздействовать друг на друга. Это воздействие проявляется двояко. Во-первых, скорость света начинает зависеть не от показателя преломления (как это происходит в линейной среде), а от яркости самого света. Чем ярче (интенсивнее) свет, тем медленнее он движется — так называемый эффект Керра.
Второе проявление — нелинейное рассеяние света или параметрический процесс. Что происходит при этом процессе? Первоначально на чип было направлено два излучения: красный свет с низкой частотой и малой энергией и синий свет с высокой частотой и большей энергией. В нелинейной среде резонатора свет воздействует на атомы материала таким образом, что они начинают парами поглощать фотоны — низкоэнергетический «красный» и высокоэнергетический «синий».
И вместо двух поглощенных фотонов атомы среды излучают два новых — с одинаковой частотой и поровну распределенной суммарной энергией двух исходных фотонов. Рождение фотонов строго парами создает между ними квантовую связь — их флуктуации оказываются согласованы. Мы помним, что при определении амплитуды и координат света всегда присутствует квантовый шум, но в силу согласованности флуктуаций фотонов-близнецов их шумы совпадают. Общий шум можно «вычесть», тем самым получив сжатый свет.
«ЗН»: Когда вы начали заниматься этой разработкой?
ДЧ: Мы начали проект примерно два с половиной года назад. Работа велась в рамках большой национальной «„Дорожной карты” по квантовым вычислениям», где Российский квантовый центр и Московский физико-технический институт выступают исполнителями. Совсем недавно мы опубликовали статью, в которой впервые продемонстрировали генерацию сжатого света именно на таком интегральном чипе. До этого в России были источники сжатого света, но только в виде больших лабораторных установок. Интегральное исполнение — когда вся оптика помещается на маленький чип — наш основной прорыв.
«ЗН»: Какие практические применения возможны для технологии сжатого света на чипе?
ДЧ: Самое очевидное применение — биологические сенсоры. Если мы хотим исследовать живые клетки или состав крови, мы не можем просто увеличивать мощность лазера, чтобы повысить чувствительность: мы просто сожжем объект. Сжатый свет позволяет повысить точность измерений без увеличения интенсивности, просто за счет более «хитрого» квантового состояния.
Кроме того, сжатые состояния — это ресурс для квантовых вычислений. В мире уже есть компании, которые строят квантовые компьютеры на основе сжатого света. Мы надеемся, что наша разработка ляжет в основу таких вычислителей в будущем. Также это фундаментальный шаг к созданию новых типов датчиков, микроскопов и систем связи.
«ЗН»: Когда ожидаются эти результаты?
ДЧ: В науке трудно ставить жесткие сроки. Мы показали сам принцип, опубликовав экспериментальную работу и две теоретические статьи, в которых рассчитали, как нужно изменить геометрию кольцевого резонатора, чтобы улучшить степень сжатия. Уже спроектированы новые чипы на основе этих расчетов, и сейчас чипы в процессе изготовления. На новых чипах мы планируем получить рекордный уровень сжатия. Что касается конкретных приборов, например биофотонных микроскопов или квантовых процессоров, то это задача ближайших нескольких лет. Мы хотим перейти от лабораторного демонстратора к реальным устройствам, но точные даты пока назвать сложно.
Научная статья: Andrei N. Danilin, Timur R. Yunusov, Alexey P. Dushanin, Natalia S. Salakhova, Alexander K. Vorobyev, Alexey D. Ivanov, Anatoly V. Masalov, Igor A. Bilenko, and Dmitry A. Chermoshentsev; Squeezing of light in a dual-pumped microresonator revealed by a common-pass local oscillator // Phys. Rev. Applied 25, 054021, 2026; DOI: https://doi.org/10.1103/f5dv-12fk
