Инновационный подход к снижению энергозатрат
Российские исследователи разработали новую стратегию, позволяющую существенно уменьшить мощность лазерного излучения, необходимую для запуска оптических параметрических колебаний в микрорезонаторах. Эти миниатюрные устройства, выполненные в виде кольцевых чипов, играют ключевую роль в современных квантовых технологиях и используются при создании компактных вычислительных систем и энергоэффективных квантовых компьютеров.
Микрорезонаторы представляют собой крошечные оптические накопители, изготовленные на основе кремния или других материалов. Они способны аккумулировать свет и преобразовывать его характеристики за счет нелинейных эффектов. Особый интерес вызывают те резонаторы, которые могут изменять параметры излучения, что открывает новые возможности для фотонных вычислений.
Группа ученых из Российского квантового центра, МФТИ, Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и МГУ провела комплексное исследование интегральных кольцевых микрорезонаторов. Их целью было изучение условий, при которых в таких системах возникают вырожденные оптические параметрические колебания — процесс, при котором формируется новое излучение с уникальными фазовыми свойствами.
Бихроматическая накачка и фазовая бистабильность
В ходе работы ученые применили методику бихроматической накачки, то есть воздействовали на резонатор двумя лазерами с разными длинами волн. Такой подход позволил добиться появления в системе неклассических состояний света при низких мощностях, а при превышении определенного порога — формирования параметрического сигнала с двумя устойчивыми фазовыми состояниями. Подобные эффекты востребованы в когерентных машинах Изинга и генераторах сжатого света, которые находят применение в квантовых вычислениях и фотонных технологиях.
Главная сложность заключалась в необходимости достижения высоких мощностей для генерации нужных фазовых состояний. Это приводило к значительным тепловым эффектам и увеличивало энергопотребление устройств. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи сосредоточились на поиске оптимальных условий для минимизации затрат энергии при запуске сигнальной моды.
В результате анализа ученые определили, что оптимизация сдвига мод и геометрии резонатора позволяет снизить порог мощности более чем вдвое. Такой эффект достигается за счет синхронизации фаз между различными модами внутри микрорезонатора, что повышает эффективность генерации и уменьшает влияние конкурирующих нелинейных процессов.
Многомодовый анализ и дисперсионная инженерия
Для подтверждения своих выводов команда провела численное моделирование с использованием уравнений связанных мод, а также учла влияние дисперсии и асимметрии в системе. Было показано, что сдвиг центральной моды с помощью фотонных молекул — связанных между собой резонаторов — позволяет снизить порог на 50%. При этом симметричное смещение боковых мод дополнительно уменьшает необходимую мощность на 40%.
Проведенный многомодовый анализ продемонстрировал устойчивость работы системы даже при неравномерном распределении мощности между двумя лазерами. Допустимое отклонение достигло двух процентов, что в десять раз превышает стандартные требования для стабильной генерации. Это значительно упрощает настройку оборудования и интеграцию микрорезонаторов в компактные устройства.
Исследователи отмечают, что их методика открывает новые перспективы для создания энергоэффективных квантовых приборов, которые смогут работать вне лабораторных условий. Такой подход может стать основой для развития новых поколений фотонных и квантовых вычислительных систем.
Планы на будущее и дальнейшие исследования
В ближайших планах команды — изучение роли обратной волны в формировании сигнала с двумя устойчивыми фазовыми состояниями, а также проведение экспериментов для проверки теоретических расчетов. Кроме того, ученые намерены исследовать режимы затягивания частоты, которые могут дополнительно повысить стабильность и эффективность работы микрорезонаторов.
Ожидается, что дальнейшее развитие этой технологии позволит создавать еще более компактные и экономичные квантовые устройства, способные работать в реальных условиях. Открытие российских физиков может стать важным шагом на пути к массовому внедрению квантовых технологий в повседневную жизнь.
