Profesor Aston University (Anglia) Michaił Sumetsky i inżynier badawczy z ITMO University (St. Petersburg National Research University of Information Technology, Mechanika and Optics) Nikita Toropov stworzyli praktyczną i niedrogą technologię produkcji optycznych mikrowgłębień o rekordowo wysokiej dokładności. Mikrorezonatory mogą stać się podstawą do budowy komputerów kwantowych – poinformował o tym w miniony piątek 22 lipca portal popularnonaukowy „Cherdak”, powołując się na serwis prasowy ITMO.
Znaczenie prac nad tworzeniem komputerów kwantowych wynika dziś z faktu, że wielu bardzo ważnych problemów nie da się rozwiązać za pomocą klasycznych komputerów, w tym superkomputerów, w rozsądnym czasie. Mówimy o problemach fizyki i chemii kwantowej, kryptografii, fizyce jądrowej. Naukowcy przewidują, że komputery kwantowe staną się ważną częścią rozproszonego środowiska obliczeniowego przyszłości. Budowa komputera kwantowego w postaci rzeczywistego obiektu fizycznego jest jednym z podstawowych problemów fizyki XXI wieku.
W czasopiśmie Optics Letters opublikowano badanie przeprowadzone przez rosyjskich naukowców na temat wytwarzania mikrowgłębień optycznych. „Technologia nie wymaga obecności instalacji próżniowych, jest prawie całkowicie wolna od procesów związanych z obróbką roztworów żrących, a jednocześnie jest stosunkowo niedroga. Ale najważniejsze jest to, że jest to kolejny krok w kierunku poprawy jakości transmisji i przetwarzania danych, tworzenia komputerów kwantowych i ultraczułych przyrządów pomiarowych”- mówi komunikat prasowy Uniwersytetu ITMO.
Mikrownęka optyczna to rodzaj pułapki świetlnej w postaci bardzo małego, mikroskopijnego zgrubienia światłowodu. Ponieważ fotonów nie da się zatrzymać, konieczne jest jakoś zatrzymanie ich przepływu w celu zakodowania informacji. Do tego właśnie służą łańcuchy mikrowgłębień optycznych. Dzięki efektowi „galerii szeptów” sygnał zwalnia: dostając się do rezonatora, fala świetlna odbija się od jego ścianek i skręca. Jednocześnie, dzięki zaokrąglonemu kształtowi rezonatora, światło może przez długi czas odbijać się w jego wnętrzu. W ten sposób fotony przemieszczają się z jednego rezonatora do drugiego ze znacznie mniejszą prędkością.
Drogę światła można regulować, zmieniając rozmiar i kształt rezonatora. Biorąc pod uwagę wielkość mikrowgłębień, która jest mniejsza niż jedna dziesiąta milimetra, zmiany parametrów takiego urządzenia muszą być niezwykle precyzyjne, ponieważ każda defekt na powierzchni mikrownęki może wprowadzić chaos do strumienia fotonów. „Jeśli światło kręci się przez długi czas, zaczyna ingerować (konflikt) ze sobą”, podkreśla Michaił Sumetsky. - W przypadku popełnienia błędu w produkcji rezonatorów zaczyna się zamieszanie. Z tego można uzyskać główne wymaganie dla rezonatorów: minimalne odchylenie wielkości”.
Mikrorezonatory, które zostały wyprodukowane przez naukowców z Rosji i Wielkiej Brytanii, są wykonane z tak dużą precyzją, że różnica w ich wymiarach nie przekracza 0,17 angstremów. Aby wyobrazić sobie skalę, zauważamy, że wartość ta jest około 3 razy mniejsza niż średnica atomu wodoru i natychmiast 100 razy mniejsza niż błąd, który jest obecnie dozwolony przy produkcji takich rezonatorów. Michaił Sumetsky stworzył metodę SNAP specjalnie do produkcji rezonatorów. Zgodnie z tą technologią laser wyżarza włókno, usuwając zamrożone w nim naprężenia. Po ekspozycji na wiązkę laserową włókno lekko „pęcznieje” i uzyskuje się mikrownękę. Naukowcy z Rosji i Anglii zamierzają nadal ulepszać technologię SNAP, a także poszerzać zakres jej możliwych zastosowań.
Prace nad mikrownękami w naszym kraju nie ustały od kilkudziesięciu lat. We wsi Skołkowo pod Moskwą, przy ulicy Nowaja, zbudowano dom numer 100. To dom z lustrzanymi ścianami, które w swoim niebieskim mogą konkurować z niebem. To jest budynek Szkoły Zarządzania Skołkowo. Jednym z najemców tego niezwykłego domu jest Rosyjskie Centrum Kwantowe (RQC).
Dzisiejsze mikrownęki są dość aktualnym tematem w optyce kwantowej. Kilka grup na całym świecie nieustannie je bada. W tym samym czasie początkowo w naszym kraju na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym wynaleziono mikrownęki optyczne. Pierwszy artykuł o takich rezonatorach ukazał się już w 1989 roku. Autorami artykułu są trzej fizycy: Vladimir Braginsky, Vladimir Ilchenko i Michaił Gorodecki. W tym samym czasie Gorodecki był wówczas studentem, a jego przywódca Ilchenko przeniósł się później do Stanów Zjednoczonych, gdzie rozpoczął pracę w laboratorium NASA. Natomiast Michaił Gorodecki pozostał na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym, poświęcając wiele lat na studiowanie tego obszaru. Do zespołu RCC dołączył stosunkowo niedawno – w 2014 roku w RCC można pełniej ujawnić swój potencjał naukowy. W tym celu centrum dysponuje całym sprzętem niezbędnym do eksperymentów, którego po prostu nie ma na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym, a także zespołem specjalistów. Kolejnym argumentem, który Gorodecki przyniósł na korzyść RCC, była możliwość wypłacania pracownikom godziwych wynagrodzeń.
Obecnie zespół Gorodetsky'ego składa się z kilku facetów, którzy wcześniej byli zaangażowani w działalność naukową pod jego kierownictwem na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. Jednocześnie nikomu nie jest tajemnicą, że dziś w Rosji nie jest łatwo utrzymać obiecujących młodych naukowców - dziś drzwi wszystkich laboratoriów na całym świecie są dla nich otwarte. A RCC to jedna z możliwości zrobienia błyskotliwej kariery naukowej, a także otrzymania odpowiedniego wynagrodzenia, bez opuszczania Federacji Rosyjskiej. Obecnie w laboratorium Michaiła Gorodeckiego trwają badania, które przy sprzyjającym rozwoju wydarzeń mogą zmienić świat.
Mikrownęki optyczne są podstawą nowej technologii, która może zwiększyć gęstość transmisji danych w kanałach światłowodowych. A to tylko jedno z możliwych zastosowań mikroubytków. W ciągu ostatnich kilku lat jedno z laboratoriów RCC nauczyło się wytwarzać mikrorezonatory, które są już kupowane za granicą. A rosyjscy naukowcy, którzy wcześniej pracowali na zagranicznych uniwersytetach, wracają nawet do Rosji, aby pracować w tym laboratorium.
Zgodnie z teorią mikrownęki optyczne mogłyby znaleźć zastosowanie w telekomunikacji, gdzie pomogłyby zwiększyć gęstość transmisji danych przez kabel światłowodowy. Obecnie pakiety danych są już przesyłane w innym zakresie kolorów, ale jeśli odbiornik i nadajnik są bardziej czułe, możliwe będzie rozgałęzienie jednej linii danych na jeszcze więcej kanałów częstotliwości.
Ale to nie jedyny obszar ich zastosowania. Ponadto za pomocą mikrownęk optycznych można nie tylko zmierzyć światło odległych planet, ale także określić ich skład. Mogą również umożliwić tworzenie miniaturowych detektorów bakterii, wirusów czy niektórych substancji - czujników chemicznych i biosensorów. Michaił Gorodecki nakreślił taki futurystyczny obraz świata, w którym mikrorezonatory są już używane: „Za pomocą kompaktowego urządzenia opartego na mikrownękach optycznych będzie można określić skład powietrza wydychanego przez osobę, która niesie informacje o stan prawie wszystkich narządów w ludzkim ciele. Oznacza to, że szybkość i dokładność diagnostyki w medycynie może po prostu wzrosnąć wielokrotnie”.
Jednak na razie są to tylko teorie, które trzeba jeszcze przetestować. Do opartych na nich gotowych urządzeń jest jeszcze długa droga. Jednak według Michaiła Gorodetskiego jego laboratorium, zgodnie z zatwierdzonym planem, powinno za kilka lat dokładnie wymyślić, jak używać mikrorezonatorów w praktyce. Obecnie najbardziej obiecującymi dziedzinami są telekomunikacja, a także wojsko. Mikrorezonatory mogą rzeczywiście zainteresować również rosyjskie wojsko. Na przykład mogą być wykorzystywane w rozwoju i produkcji radarów, a także stabilnych generatorów sygnału.
Jak dotąd nie jest wymagana masowa produkcja mikrowgłębień. Ale wiele firm na świecie już zaczęło produkować urządzenia z ich wykorzystaniem, to znaczy naprawdę było w stanie skomercjalizować swoje rozwiązania. Jednak nadal mówimy tylko o maszynach jednostkowych zaprojektowanych do rozwiązywania wąskiego zakresu zadań. Na przykład amerykańska firma OEWaves (w której obecnie pracuje jeden z wynalazców mikrorezonatorów Vladimir Ilchenko) zajmuje się produkcją superstabilnych generatorów mikrofalowych, a także doskonałych laserów. Laser tej firmy, który wytwarza światło w bardzo wąskim zakresie (do 300 Hz) z bardzo niskimi szumami fazowymi i częstotliwościowymi, zdobył już prestiżową nagrodę PRIZM. Taka nagroda to praktycznie Oskar w dziedzinie optyki stosowanej, ta nagroda przyznawana jest corocznie.
W dziedzinie medycyny południowokoreańska grupa firm Samsung wraz z rosyjskim Centrum Kwantowym zajmuje się własnymi działaniami w tej dziedzinie. Według Kommiersanta prace te w 2015 roku były na bardzo początkowym etapie, więc jest zbyt wcześnie i za wcześnie, aby mówić coś o wynalazkach, które miałyby zastosowanie.
