Nytt genombrott inom optisk kretsprogrammering: Lättberäkning med hårtunna fibrer

Nyligen har forskare vid Heriot-Watt University (UK) upptäckt en kraftfull ny metod för programmering av optiska kretsar.
Denna metod kan spela en avgörande roll för att förverkliga framtida teknologier som okrossbara kommunikationsnätverk och ultrasnabba kvantdatorer. Forskningen har nu publicerats i tidskriften Nature Physics.
Mehul Malik, en experimentell fysiker och professor i fysik vid School of Engineering and Physical Sciences vid Heriot-Watt University i Storbritannien, förklarar: "Ljus kan bära en enorm mängd information och optiska kretsar, som beräknar med ljus snarare än elektricitet, ses som nästa stora språng inom datorteknik."
"Men i takt med att optiska kretsar blir större och mer komplexa, blir de allt svårare att kontrollera och tillverka – vilket kan påverka deras prestanda. Vår forskning visar på ett annat, mer allmänt tillvägagångssätt för att designa optiska kretsar, med naturligt förekommande processer."
Professor Mehul Malik och hans team genomförde sin forskning med kommersiella optiska fibrer. Den här typen av fiber används i stor utsträckning över hela världen för att överföra Internet till enskilda hem och företag, den är tunnare än bredden på ett människohår och använder ljus för att överföra data.
Genom att dra fördel av ljusets naturliga spridningsbeteende i optiska fibrer fann de att de optiska kretsarna i fibrerna kunde programmeras på ett mycket exakt sätt.
"När ljus kommer in i en optisk fiber sprids och blandas det på komplexa sätt. Genom att förstå denna komplexa process och exakt forma ljuset som kommer in i fibern, har vi hittat ett sätt att skapa ljuskretsar mitt i detta kaos."
Optiska kretsar är avgörande för framtiden för kvantteknologier, som är designade på mikroskopisk nivå genom att arbeta med enskilda atomer eller fotoner (ljuspartiklar). Dessa teknologier inkluderar kraftfulla kvantdatorer med enorm processorkraft och kvantkommunikationsnätverk som inte kan hackas.
Prof. Mehul Malik förklarar, "Till exempel behövs optiska kretsar i slutet av kvantkommunikationsnätverk så att information kan mätas efter att ha rest långa sträckor. De är också en viktig del av kvantdatorer för att utföra komplexa beräkningar på ljuspartiklar."
Kvantdatorer lovar betydande framsteg inom områden som läkemedelsutveckling, klimatförutsägelser och rymdutforskning. Maskininlärning – artificiell intelligens – är ett annat område där optiska kretsar används för att snabbt bearbeta stora mängder data.
Prof. Mehul Malik påpekar att ljusets kraft ligger i dess multidimensionalitet: "Vi kan koda mycket information om en enda ljuspartikel. Dess rumsliga struktur, dess tidsstruktur, dess färg. Om du kan beräkna alla dessa egenskaper vid samtidigt kan du släppa lös enorm processorkraft."
Forskarna visade också hur deras programmerbara optiska kretsar kan användas för att manipulera kvantintrassling. Detta är ett fenomen där två eller flera kvantpartiklar, såsom fotoner, förblir sammankopplade även när de är långt ifrån varandra. Entanglement spelar en viktig roll i många kvantteknologier, såsom felkorrigering inom kvantdatorer och implementering av de säkraste typerna av kvantkryptering.
Prof. Mehul Malik och hans forskargrupp vid Heriot-Watt University's Beyond Binary Quantum Information Laboratory genomförde studien med samarbetande forskare från institutioner som Lunds universitet i Sverige, Sapienza University of Rome i Italien och University of Twente i Nederländerna.
Forskningen finansierades av QuantERA, ett ledande europeiskt nätverk av 39 offentliga forskningsfinansieringsorganisationer (rfo) från 31 länder, inklusive Austrian Research Promotion Agency (FFG) - Österrikes nationella finansieringsorgan för industriell forskning och utveckling; och European Research Council (ERC) - EU:s finansieringsorganisation för spetsforskning.