Forskare beräknar med ljus inuti hårfint tunn optisk fiber

Ljus som färdas genom en optisk fiber som sitter ovanpå ett konventionellt elektroniskt kretskort. Kredit: Heriot-Watt University
Ljus som färdas genom en optisk fiber som sitter ovanpå ett konventionellt elektroniskt kretskort. Kredit: Heriot-Watt University

Forskare vid Heriot-Watt University i Edinburgh, Skottland, har hittat ett nytt kraftfullt sätt att programmera optiska kretsar som är avgörande för framtida teknik, t.ex. kommunikationsnät som inte går att hacka och ultrasnabba kvantdatorer.

”Ljus kan bära mycket information, och optiska kretsar som beräknar med ljus – istället för elektricitet – ses som nästa stora språng inom datateknik”, förklarar professor Mehul Malik, experimentell fysiker och professor i fysik vid Heriot-Watts School of Engineering and Physical Sciences.

”Men i takt med att optiska kretsar blir större och mer komplexa blir de svårare att kontrollera och tillverka – vilket kan påverka deras prestanda. Vår forskning visar på ett alternativt och mer mångsidigt sätt att konstruera optiska kretsar, med hjälp av en process som förekommer naturligt i naturen.”

Professor Malik och hans team genomförde sin forskning med hjälp av kommersiella optiska fibrer som används i stor utsträckning runt om i världen för att transportera internet till våra hem och företag. Dessa fibrer är tunnare än ett människohår och använder ljus för att transportera data.

Genom att utnyttja ljusets naturliga spridningsbeteende i en optisk fiber kunde de programmera optiska kretsar inuti fibern på mycket exakta sätt.

Forskningsresultaten publiceras idag i tidskriften Nature Physics.

Från vänster till höger - medlemmar i Beyond Binary Quantum Information Lab (BBQLab) Dr. Saroch Leedumrongwatthanakun, professor Mehul Malik och doktorand Suraj Goel. Kredit: Heriot-Watt University
Från vänster till höger – medlemmar i Beyond Binary Quantum Information Lab (BBQLab) Dr. Saroch Leedumrongwatthanakun, professor Mehul Malik och doktorand Suraj Goel. Kredit: Heriot-Watt University

”När ljus kommer in i en optisk fiber sprids och blandas det på komplexa sätt”, förklarar professor Malik. ”Genom att lära oss denna komplexa process och exakt forma det ljus som kommer in i den optiska fibern har vi hittat ett sätt att noggrant konstruera en krets för ljus inuti denna störning.”

Optiska kretsar är avgörande för utvecklingen av framtida kvantteknik – som konstrueras på mikroskopisk nivå genom att man arbetar med enskilda atomer eller fotoner – ljuspartiklar. Denna teknik omfattar kraftfulla kvantdatorer med enorm processorkraft och kvantkommunikationsnätverk som inte kan hackas.

”Optiska kretsar behövs till exempel i slutet av kvantkommunikationsnätverk, så att informationen kan mätas efter att den har färdats långa sträckor”, förklarar professor Malik. ”De är också en viktig del av en kvantdator, där de används för att utföra komplexa beräkningar med ljuspartiklar.”

Kvantdatorer förväntas leda till stora framsteg inom områden som läkemedelsutveckling, klimatprognoser och rymdforskning. Maskininlärning – artificiell intelligens – är ett annat område där optiska kretsar används för att bearbeta stora datamängder mycket snabbt.

Professor Malik säger att ljusets kraft ligger i dess många dimensioner.

”Vi kan koda in mycket information på en enda ljuspartikel”, förklarade han. ”På dess rumsliga struktur, på dess temporala struktur, på dess färg. Och om man kan beräkna alla dessa egenskaper samtidigt frigörs en enorm mängd processorkraft.”

Forskarna visade också hur deras programmerbara optiska kretsar kan användas för att manipulera kvantsammanflätning, ett fenomen där två eller flera kvantpartiklar – som ljusfotoner – förblir sammankopplade även när de är åtskilda av stora avstånd. Sammanflätning spelar en viktig roll i många kvanttekniker, t.ex. för att korrigera fel i en kvantdator och möjliggöra de säkraste typerna av kvantkryptering.

Professor Malik och hans forskargrupp i Beyond Binary Quantum Information Lab vid Heriot-Watt University genomförde forskningen tillsammans med akademiska partner från bland annat Lunds universitet i Sverige, Sapienza University of Rome i Italien och University of Twente i Nederländerna.

Ytterligare information: Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.