26 июля 2024, 13:19
Впервые о поляритонах — сложных квазичастицах, состоящих из экситонов и связанных с ними фотонов — заговорили еще в середине XX века. Но технологии, в которых удалось бы использовать плюсы совмещения в одной частице фотонной и электронной составляющих, стали развиваться около двадцати лет назад. Лауреат премии "ВЫЗОВ", профессор Сколковского института науки и технологий Павлос Лагудакис рассказал N + 1 о том, что это за частицы, когда нам ждать суперкомпьютеров с поляритонным ускорением и каков его собственный вклад в поляритонику.![](https://file.gosniipp.ru/api/img/XCdTbWlEQl8wJ1NNSUdyYWJiZXJfMjYwN18xMzMwXzIwMjRcbWVzc2FnZXNcZmlsZXNcMzgwMDA3Ng==.gif)
Частицы жидкого света
N + 1: Павлос, премию вам присудили за создание поляритонного транзистора. Можете рассказать, как он вообще работает? Павлос Лагудакис: На самом деле мы вместе с моим коллегой, старшим преподавателем в Сколковском институте науки и технологий Сергеем Аляткиным исследовали наноструктуру, которая берет обычный свет и конденсирует его в особую "квантовую жидкость света" . Свойства такой жидкости можно использовать в том числе для создания поляритонного транзистора, о котором вы сказали. Но также из капель этой жидкости можно создавать решетки, которые благодаря взаимодействию между каплями можно использовать в качестве симуляторов. То есть, если формулировать совсем широко, мы показали, что эти квантовые жидкости света можно использовать для вычислений — как цифровых (с помощью транзисторов), так и аналоговых (с помощью симуляторов, которые, хотя и не являются компьютерами в привычном смысле слова, могут решать важные задачи, моделируя собой поведение сложных систем).![](https://file.gosniipp.ru/api/img/XCdTbWlEQl8wJ1NNSUdyYWJiZXJfMjYwN18xMzMwXzIwMjRcbWVzc2FnZXNcZmlsZXNcMzgwMDA3Mw==.jpg)
![](https://file.gosniipp.ru/api/img/XCdTbWlEQl8wJ1NNSUdyYWJiZXJfMjYwN18xMzMwXzIwMjRcbWVzc2FnZXNcZmlsZXNcMzgwMDA3NA==.png)
Экситон-фотонный конденсат
А имеет ли смысл делить поляритон на фотонную и экситонную части и говорить о том, что делает одна часть этой системы, а что — другая? Да, это имеет смысл, так как поляритон можно рассматривать как составную частицу. В поляритоне есть фотон, который имеет очень высокую скорость, и есть экситон — диполь из электрона и дырки. Когда два экситона приближаются друг к другу, они взаимодействуют через диполь-дипольное взаимодействие, отталкиваются и разлетаются. Если экситоны смешать с фотонами, то у них будут гораздо более размазанные по пространству волновые функции: получатся более разреженные диполи, но между ними все равно останется взаимодействие. Таким образом, именно благодаря материальной, экситонной компоненте поляритонов мы имеем поляритон-поляритонное взаимодействие, которое является их наиболее важным свойством, позволяющим нам с ними работать. И если у меня есть два поляритона, которые движутся перпендикулярно друг к другу как два лазерных луча, с которых мы начали, то теперь, когда они пересекаются друг с другом, их экситонная составляющая позволяет им взаимодействовать. Я понимаю: экситоны чувствуют друг друга через дипольное взаимодействие. А можно ли как-то интуитивно представить, как это взаимодействие влияет на фотонную часть квазичастицы? Когда экситоны взаимодействуют, они обмениваются энергией и импульсом, а изменение импульса экситона означает и изменение энергии фотона, связанного с ним. Можете представить себе поляритон как бильярдный шар: сам шар — это экситон, он материален и движется с какой-то скоростью, а связанный с ним фотон — это цвет шара, и цвет привязан к скорости его движения. Когда шар стоит, он черный, но когда шар начинает двигаться, цвет начинает меняться: при увеличении скорости шара его цвет меняется от красного к синему. Другими словами, энергия фотона в поляритоне пропорциональна импульсу экситона, то есть "цвет" поляритона меняется в зависимости от того, насколько быстро поляритон движется. А теперь представьте, что микрорезонатор, в котором мы работаем, — это бильярдный стол: двумерная система, где поляритоны двигаются по плоскости. Там есть один "красный" поляритон, который покоится, и один "синий", который в него прилетает. "Синий" поляритон сбивает "красный", и тот начинает двигаться с тем же импульсом, с которым раньше двигался "синий", который теперь остановился. Таким образом, взаимодействие между поляритонами приводит к изменению импульса их обоих, и это приводит к изменению их "цвета". Прилетевший становится из "синего" "красным", а улетевший, который приобрел более высокий импульс, а значит и более высокую энергию, стал "синим". Таким образом, появляется механизм рассеяния, который, конечно, сохраняет общие энергию и импульс системы, но перераспределяет поляритоны по всему энергетическому спектру. Это перераспределение приводит к тому, что макроскопическое количество поляритонов переходят в основное энергетическое состояние. Это очень важное свойство поляритонов — следствие того, что поляритоны являются бозонами. Чуть меньше 20 лет назад наши коллеги показали, что поляритоны могут переходить в состояние Бозе-Эйнштейновского конденсата. Это макроскопическое состояние, в нашем случае света и материи, которое описывается одной волновой функцией, но в котором может быть много поляритонов. Когда поляритоны конденсируются, они образуют своего рода капли квантовой жидкости света, которые могут взаимодействовать друг с другом и которые можно использовать при создании цифровых или аналоговых вычислителей, о которых я говорил. А в каких системах можно делать сами поляритоны и конденсировать их в квантовую жидкость? Существует множество материалов, в которых есть оптические переходы, подходящие для создания поляритонов, — например, неорганические полупроводники, такие как арсенид галлия или нитрид галлия. Можно использовать и органические молекулы, которые могут поглощать и излучать свет определенного цвета, такие, например, как те, которые используются в AMOLED-дисплеях. В нашей лаборатории мы изучаем возможности создания поляритонов в микрорезонаторах на основе как неорганических, так и органических полупроводников.![](https://file.gosniipp.ru/api/img/XCdTbWlEQl8wJ1NNSUdyYWJiZXJfMjYwN18xMzMwXzIwMjRcbWVzc2FnZXNcZmlsZXNcMzgwMDA3NQ==.png)
Суперкомпьютер, ускоренный светом
Павлос, давайте вернемся к поляритонным транзисторам. Что они из себя представляют? Работать над ними мы начали лет шесть-семь назад вместе с IBM. IBM разработали структуры микрорезонаторов с органическими полупроводниками, которые позволили конденсировать поляритоны при комнатной температуре. А затем мы здесь, в Сколтехе, показали, что можем собрать эти капли квантовой жидкости света таким образом, чтобы они работали как транзисторы. Но поскольку это транзисторы на поляритонах, они включаются и выключаются намного быстрее, чем обычные электронные транзисторы. Электронные процессоры работают на частоте около трех гигагерц, и даже если пытаться их разгонять, все равно не получится больше нескольких гигагерц: электронные схемы просто сгорят из-за того, что движение электронов в них выделяет слишком много тепла. Нам же удалось создать на поляритонах транзисторы, которые могут переключаться гораздо быстрее и работать на терагерцевой частоте. Еще мы смогли соединить несколько таких транзисторов в логические вентили, а сейчас опубликовали работу, где показываем, что на поляритонных транзисторах можно сделать полный набор вентилей, образующих универсальную логику, то есть выполнять полную логическую обработку любой цифровой информации. И еще мы продемонстрировали, что наш транзистор можно включать и выключать даже при комнатной температуре с помощью одного фотона. А что именно в поляритонном транзисторе переключается? В обычном электронном транзисторе состояния "ноль" и "один" соответствуют разным напряжениям. В случае же поляритонного транзистора эти два состояния соответствуют двум различным плотностям поляритонов. То есть по тому, мало у нас в системе поляритонов или много, мы различаем, находимся ли мы в выключенном состоянии или во включенном. И поскольку поляритоны связаны с внешним излучением, то все, что нам нужно — это измерить интенсивность излучения поляритонных конденсатов. Другими словами, транзистор включен, когда в микрорезонаторе есть капля поляритонного конденсата, и выключен, когда ее нет. А как разные транзисторы соединяются друг с другом? Лазерами? Нет, транзисторы не соединены лазерами. Поляритоны взаимодействуют друг с другом, поэтому мы можем взять несколько фотонов, которые излучил поляритонный конденсат из одного транзистора, и запустить с их помощью каскад формирования новых поляритонов в следующих (выключенных) транзисторах. А поскольку поляритоны — это бозоны, то (аналогично вынужденному излучению лазера) если в транзистор, находящийся в выключенном состоянии, попадет один фотон, сгенерированный другим поляритонным конденсатом, это приводит к формированию большого числа поляритонов, которые сконденсируются в единое состояние. То есть из единственного поляритона можно создать огромное число поляритонов в том же состоянии и, следовательно, запустить поляритоны из выхода одного транзистора на вход множества других, чтобы таким образом их включить. Как вы считаете, могли бы поляритонные транзисторы заменить в компьютерах обычные транзисторы или их будут использовать для чего-то совсем другого? Поляритонные транзисторы превосходят электронные по многим характеристикам: они намного быстрее, у них сильные нелинейности, поляритонный сигнал значительно легче усилить. Но из-за того, что размер фотона связан с длиной волны света, поляритонные транзисторы невозможно сделать очень маленькими: их размер ограничен снизу примерно одним микрометром. То есть по размерам они эквивалентны электронным транзисторам, которые были у нас в 1980-х годах, но по скорости превосходят их примерно в миллион раз. Так что поляритонные транзисторы не заменят электронные транзисторы в компьютерах: мы не сможем масштабировать их так, чтобы в одном устройстве были триллионы транзисторов, как сейчас в электронных компьютерах. Зато можно было бы сделать несколько тысяч транзисторов, работающих на гораздо более высоких скоростях и в качестве так называемых оптических ускорителей, которые можно использовать для решения сложных задач небольшого масштаба. Я приведу пример. Что такое современный суперкомпьютер? Это устройство, в котором тысячи процессоров, каждый из которых работает на частоте около трех гигагерц. Когда мы решаем с помощью суперкомпьютера задачу, мы разбиваем ее на тысячи более мелких задач, каждую из которых передаем одному из процессоров суперкомпьютера, а затем объединяем их решения и получаем решение для большой задачи. Но для того, чтобы получить финальное решение, нужно сначала дождаться, пока каждый из процессоров решит свою подзадачу. Если же хотя бы одного такого решения не хватает, скомпилировать общее решение не получится. Теперь представьте: у вас есть лучший суперкомпьютер в мире, но один из его процессоров задерживает ответ — вам придется ждать, пока он не закончит вычисление. А если бы у вас был оптический ускоритель, то эту подзадачу, замедляющую все вычисление, можно было бы отправить на него, чтобы за счет его скорости быстрее получить ответ и тем самым увеличить мощность всего суперкомпьютера. При этом сколько времени займет какая подзадача, можно в некоторой степени предсказывать и заранее отправлять сложные задачи на оптический ускоритель. Таким образом можно значительно повысить вычислительную мощность существующих суперкомпьютеров.Также поляритонные транзисторы можно использовать еще в одном классе задач, где сейчас используются так называемые ASIC — application-specific integrated circuits, интегральные схемы специального назначения. По сути, ASIC — это электронная схема, которая работает намного быстрее обычного компьютера, так как решает только одну задачу, алгоритм решения которой запрограммирован в ней на физическом уровне. Такие схемы используются во многих областях: для считывания информации, создания систем обратной связи, стабилизации. Важно, что скорость, с которой они обрабатывают информацию, ограничена скоростью электронных транзисторов, поэтому если создавать такие схемы на основе оптических транзисторов, то они смогут решать эти же задачи гораздо быстрее. Например, если электронной схеме требуется несколько наносекунд или микросекунд для решения задачи, то оптический транзистор решит ее за несколько сотен пикосекунд, то есть на порядки быстрее. Конденсат для оптимизации О второй части работы группы Павлоса Лагудакиса — поляритонных симуляторах — более подробно рассказал его соавтор, старший преподаватель Сколковского института науки и технологий Сергей Аляткин. N+1: Сергей, можете рассказать о том, как капли поляритонных конденсатов использовать в аналоговых симуляторах и зачем вообще это делать? Сергей Аляткин: В жизни нас окружает множество процессов, которые требуют большого числа параметров для своего описания, и сложность задач, связанных с предсказанием этих процессов, экспоненциально возрастает с количеством параметров. Самый простой пример — задача коммивояжера, в которой нужно оптимизировать маршрут между несколькими городами. Все крупные компании, которые занимаются логистикой, сталкиваются с тем, что эта проблема становится очень сложной, когда число городов приближается к 50. В этой ситуации нужно просчитать 50! разных комбинаций, и на таком уровне сложности у классических компьютеров начинаются проблемы. Другой актуальный пример — квантовая химия: чтобы, например, создать новый антибиотик, квантовое описание сложных молекул требует огромного числа параметров, и это тоже традиционно непростая задача. Специально для таких систем нам нужны машины, которые называются оптимизаторами, или симуляторами. Их основная идея заключается в том, что вы создаете некую физическую систему, которая ведет себя так же, как и интересующая вас система. Эту физическую систему вы готовите в определенном состоянии, а затем просто позволяете ей развиваться. Внутри системы происходят взаимодействия, и в результате конечное состояние и есть ваше решение. Но основная проблема здесь в том, что сначала нужно создать отображение между интересующей вас системой и физической системой симулятора. С классом задач примерно понятно. А могли бы вы на каком-то конкретном примере пояснить, как именно какую-то сложную задачу можно описать состоянием капель поляритонного конденсата? Существует математическая теория NP-сложных задач. NP-сложные задачи — это задачи, которые не могут быть решены с помощью классических алгоритмов в разумные сроки. Так вот, теория говорит нам, что весь класс NP-сложных задач можно свести к решению статистической модели спинов Изинга. Другими словами, вы можете создать отображение между вашей сложной задачей и системой спинов, которые расположены в узлах решетки с проекциями плюс или минус один, между которыми есть взаимодействие. Такая система будет оптимизировать свою энергию, тем самым решая задачу. Следовательно, чтобы создать оптимизатор на поляритонах, нам нужно найти в поляритонной системе некоторые физические параметры, которые работали бы по аналогии с проекциями спинов. Таких параметров, которые мы рассматриваем на данный момент, на самом деле много. Например, в 2017 году Наталья Берлова и Павлос опубликовали в Nature Materials теоретическую статью с некоторыми экспериментальными результатами, в которой предложили одну очень простую идею. Представьте, что у вас есть капля бозонного конденсата, рядом с которой мы, используя лазерное излучение, возбуждаем второй идентичный первому конденсат. Два конденсата начинают ощущать присутствие друг друга. Экспериментально мы выяснили, что в зависимости от расстояния между конденсатами, их плотности и того, насколько сильно мы накачиваем их лазерным излучением, они могут существовать либо в фазе, либо в противофазе. И если два конденсата колеблются в фазе, то можно просто сказать, что они эквивалентны двум спинам с проекцией +1, а если в противофазе — то —1.![](https://file.gosniipp.ru/api/img/XCdTbWlEQl8wJ1NNSUdyYWJiZXJfMjYwN18xMzMwXzIwMjRcbWVzc2FnZXNcZmlsZXNcMzgwMDA3Nw==.png)