«Поляритонный транзистор можно включить одним фотоном»

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.

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» От английского quantum fluid of light. Устоявшегося термина на русском языке для этого состояния нет, поэтому чаще всего используют кальку с английского.. 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).

Во всем этом стоит разобраться поподробнее. Во-первых, что из себя представляют поляритоны, из которых состоят эти квантовые жидкости света?

Начать объяснение можно с простого эксперимента с лазерными указками, который может провести даже ребенок. Если у вас есть две обыкновенные лазерные указки и вы скрестите два лазерных луча, то вы увидите, что один луч никак не влияет на распространение другого. Это происходит из-за того, что взаимодействие света со светом ничтожно мало — настолько, что в любом практическом эксперименте им можно пренебречь. Свет не видит свет, когда распространяется в пустом пространстве.

А как же интерференция?

Да, за исключением интерференции, но для нее нужен сонаправленный свет. А если два луча пересекаются, распространяясь по перпендикулярным осям, они вообще друг друга не заметят. То есть взаимодействие фотонов в вакууме практически равно нулю. И это делает фотоны непрактичными для всего, что связано с вычислениями.

Тем не менее скорость света очень привлекательна, потому что она намного выше, чем скорость свободных электронов, движущихся по проводам. И чтобы использовать эту скорость для вычислений, мы пытаемся заставить свет взаимодействовать со светом. Для этого мы запираем свет в очень маленьких полостях-резонаторах, где он благодаря взаимодействию с материалом этих резонаторов становится похожим на жидкость. То есть мы берем ценные свойства света, такие как его сверхвысокая скорость, берем способность материи к взаимодействию и смешиваем их. В итоге получаем частицы нового типа — поляритоны, и они уже могут взаимодействовать друг с другом.

Поляритон — довольно сложный объект. Это квазичастица, состоящая из фотона и экситона. Но и экситон — это квазичастица из электрона и дырки, и сама дырка — тоже квазичастицаРазобраться со сложными квазичастицами вы можете на котиках из материала «Зоопарк квазичастиц».. Получается, поляритон — квазичастица из квазичастицы из квазичастицы. Учитывая это, правильно ли думать о поляритонах так же, как об обычных элементарных частицах, или их свойства в чем-то отличаются?

В физике, когда мы можем найти элегантную формулировку, которая упрощает задачу, мы используем ее, вместо того чтобы каждый раз углубляться в детали. Это причина, по которой в физике используются квазичастицы.

Например, наши структуры — это полупроводниковые материалы, зажатые между зеркалами с высокой отражающей способностью. Мы ограничиваем ими оптическое поле, так что фотон внутри полости находится в резонансе с оптическим переходом полупроводника.

Резонансное взаимодействие в этом микрорезонаторе можно описать по аналогии с классическими маятниками. Если есть два маятника одинаковой длины, они будут двигаться независимо друг от друга, но колебаться с одинаковой частотой. В нашей структуре один маятник — это оптическая частота возбуждения экситона, а второй — это частота, то есть энергия, фотона. Но если фотон возбуждает экситон, а экситон испускает фотон той же частоты, то появляется взаимодействие, которое связывает эти две системы. Это равносильно тому, чтобы поставить между маятниками пружину: тогда они станут колебаться либо в фазе, либо в противофазе.

Точно так же, когда экситон с фотоном обмениваются энергией, они соединяются друг с другом и создают две новые моды: так называемые верхнюю и нижнюю поляритонные моды. То есть поляритон является нормальной модой колебаний связанной системы фотона и экситона. Это позволяет описывать его как одну частицу, что значительно упрощает задачу.

Если я попытаюсь представить себе поляритон, я должен представлять себе два экситона, которые обмениваются фотонами?

Нет, экситон в поляритоне один. А при распаде он испускает фотон и становится невозбужденным электроном. Фотон, отразившись от зеркала, возвращается, взаимодействует с электроном и создает экситон, экситон испускает фотон, фотон создает экситон и так далее, причем эти взаимные превращения происходят быстрее, чем любые другие потери в системе.

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 бозонамиБозоны, в отличие от фермионов, имеют целый спин (0, 1, 2 и так далее) и любят находиться в одном и том же состоянии. Благодаря этому работает, например, лазер: как только в оптическом резонаторе лазера появляется один фотон (это бозон) в определенном состоянии, все остальные фотоны переходят в это же состояние, что и дает нам мощное монохроматическое излучение.Поляритоны также являются бозонами, потому что одна половина у них — это фотон, который, очевидно, является бозоном, а другая половина — экситон. Экситон хоть и состоит из электрона с полуцелым спином и дырки, спин которой определить чуть сложнее, но он тоже оказывается полуцелым, поэтому когда мы объединяем их в экситон, мы получаем частицу с целым спином. Поэтому и поляритон — комбинация экситона и фотона — тоже бозон..

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.

Обычно, когда мы говорим про Бозе-Эйнштейновский конденсат, автоматически подразумеваем экстремально низкие температуры. Но я читал, что поляритоны могут переходить в такое состояние и при комнатной температуре. За счет чего?

Экситоны, которые образуются как в неорганических, так и в органических полупроводниках, — очень тяжелые (по сравнению с фотонами) частицы. А чем тяжелее бозоны, тем ниже температура, при которой они могут образовать Бозе-Эйнштейновский конденсат. Например холодные атомы конденсируются при температуре в несколько микрокельвинов. Поляритоны же намного легче. Фотон — очень легкая частица, и если смешать его с экситоном, получится частица намного легче экситона.

Но ведь смешивая экситон с фотоном, вы все равно добавляете массу, даже если фотон очень легкий.

Да, но дело в том, что поляритон — квазичастица. Он не состоит из ста процентов экситона и ста процентов фотона, он отчасти экситон, отчасти фотон. А значит, поляритон значительно легче экситона. Это позволяет повысить температуру конденсации для неорганических полупроводников до нескольких кельвинов. В органических полупроводниках энергия связи между электроном и дыркой выше, поэтому экситоны оказываются стабильными даже при комнатной температуре. Когда они соединяются с фотонами, получаются устойчивые при комнатной температуре поляритоны, способные конденсироваться.

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.

Павлос, готовы ли вы дать прогноз, сколько времени потребуется для создания практически полезной поляритонной вычислительной системы?

Для этого нужно решить некоторые инженерные задачи, такие как, например, создание методов электрической инжекции поляритонов — чтобы создавать их не с помощью лазеров, как мы делаем сейчас, а электрически, и тогда этот процесс будет более энергоэффективным. При этом и энергетически малоэффективный поляритонный компьютер может быть использован на практике — по аналогии с современными квантовыми компьютерами, которых сейчас один или два на страну. Мы могли бы создать облачную поляритонную платформу, которая решала бы важные и сложные задачи удаленно.

Еще это зависит от скорости перехода от фундаментальной науки, которой занимаемся мы с Сергеем, к технологиям. Этот шаг скорее за нашими студентами и аспирантами, которые уходят из академической среды и начинают развивать технологические стартапы. Но и мы с Сергеем сейчас работаем над созданием стартапа, который будет коммерциализировать некоторые из наших экспериментальных методик. Это сложная задача, требующая много людей, времени и денег, но если все сложится, то через 5–10 лет у нас появятся первые коммерческие применения поляритонов. И даже с бóльшим оптимизмом я смотрю на перспективы поляритонных аналоговых симуляторов: я считаю, в ближайшие пять лет в этой области появятся устройства, которые смогут решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем даже современные суперкомпьютеры.

Реклама: Фонд развития научно-культурных связей «Вызов», ИНН 9731116769, LjN8K9VBb