Короткий оптический путь

Ученые физического факультета МГУ вместе с исследователями из Центра квантовых технологий Сбербанка разработали новый метод настройки многоканальных оптических интерферометров. Предложенный алгоритм пертурбативного разложения позволяет физически укоротить внутренние элементы прибора, что существенно снижает потерю света. Исследование открывает путь к созданию более сложных оптических вычислителей. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A.

В современных оптических вычислениях главную роль играют многоканальные интерферометры — устройства, управляющие световыми сигналами. Внутри таких приборов свет проходит через сложную геометрию волноводов, светоделителей и фазовращателей. Математически работу интерферометра можно описать как умножение вектора входных сигналов на определенную матрицу передачи, управление которой происходит с помощью программируемых фазовых сдвигов. Обычно фазу изменяют в диапазоне от 0 до 2π. Именно здесь кроется главная проблема: чем сильнее нужно изменить фазу, тем длиннее должен быть фазовращатель и тем больше света в нем теряется в процессе работы.

поясняет первый автор исследования, аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Сурен Флджян. — Вычисления в интерферометре описываются матрицей, которая является функцией от параметров фазовых сдвигов. Мы опирались на свойства этой функции, которые проявляются при ее разложении в ряд по малому отклонению параметров, то есть пертурбативное разложение».
«В оптических интерферометрах размер имеет значение — чем больше оптический путь в волноводе, тем больше потери. Поэтому уменьшение размера элементов без потери функциональности, как предложено в этой работе, крайне важно на практике», — отмечает старший научный сотрудник физфака МГУ, научный руководитель Центра квантовых технологий Сбербанка Станислав Страупе.

Чтобы решить проблему потерь, команда исследователей применила численные и аналитические методы. Ученые доказали, что в рамках предложенного пертурбативного подхода можно реализовать большинство необходимых преобразований. Так, для вычислений достаточно меньших фазовых сдвигов. На практике это означает, что можно существенно уменьшить длину фазовращателей и тем самым снизить оптические потери в вычислительном устройстве.

Полученный результат критически важен для программируемых фотонных процессоров, применяемых в задачах линейной алгебры, машинного обучения и квантовой информации. При реализации широкого класса передаточных матриц потеря фотонов в интерферометре накапливается и ограничивает масштабирование. Новый метод позволит сделать оптические вычисления более стабильными и энергоэффективными.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию теоретической физики и математики «Базис» и стипендии Президента Российской Федерации для аспирантов и адъюнктов.

По материалам пресс-службы МГУ