Физики замедлили свет на чипе в 1000 раз для квантовой памяти

Интегральные схемы, лежащие в основе современных компьютеров и смартфонов, используют электричество. Учёные активно работают над фотонными чипами, которые для обработки данных применяют свет, что обещает более высокую скорость и энергоэффективность.

Сужение ширины линии, вызванное медленным светом. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65533-1

Прорыв в замедлении света

Физики из Инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне продемонстрировали методику замедления света непосредственно на фотонном чипе. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, позволяет создавать на чипе элементы с высоким спектральным разрешением и полезно как для классической, так и для квантовой фотоники.

Фотонные чипы используют оптические резонаторы для управления светом. Их эффективность характеризуется добротностью (Q-фактором): чем дольше свет «живёт» в резонаторе, тем выше его добротность.

«Один из самых эффективных способов хранить свет — это замедлить его, — пояснила Элизабет Голдшмидт, доцент физики и старший автор работы. — Замедление распространения действует как хранение: если создать длинный путь и замедлить свет, он будет оставаться там какое-то время».

Значение для квантовой памяти

Увеличение этого времени хранения критически важно для квантовой памяти, которая полагается на способность сохранять свет, не разрушая содержащуюся в нём квантовую информацию. Создание такой памяти на чипе важно для удобства развёртывания, массового производства и надёжности. Однако до сих пор это было возможно только с использованием громоздкой оптики высокого качества, поскольку дефекты производства приводят к потерям света на чипе.

Чтобы обойти эти дефекты, команда Голдшмидт исследовала другую стратегию — простое увеличение времени распространения. Используя технику, известную как «спектральное прожигание», исследователям удалось замедлить свет на чипе почти в 1000 раз. Этот феномен, известный как эффект медленного света, возникает при распространении света через среду со значительно сниженной скоростью. Лаборатория Голдшмидт первой исследовала этот эффект непосредственно на чипе.

«Я проводил спектральное прожигание в резонаторе, пытаясь создать более эффективную квантовую память, — рассказал Прияш Барья, аспирант факультета электротехники и вычислительной техники, ведущий автор статьи. — Во время сканирования я наблюдал неожиданный провал, который не имел смысла. В конце концов мы пришли к выводу, что этот провал был вызван эффектом медленного света».

Перенастраиваемые устройства и будущее

Для воспроизведения эффекта команда использовала ниобат лития, легированный эрбием — идеальную среду благодаря её высокой плотности и когерентности. Важным качеством их платформы является также возможность настройки в широком диапазоне частот.

«Обычно устройство создаётся для выполнения одной задачи, и для чего-то другого нужно делать новое устройство, — сказал Барья. — Но поскольку мы используем спектральное прожигание для придания устройству свойств, мы можем перенастраивать его так часто, как захотим, снова и снова».

Исследователи полагают, что их методика в будущем может быть использована для множества классических и квантовых применений, которые сегодня зависят от громоздкой оптики.

«Мы считаем, что эта платформа может быть использована для самых разных целей: квантовой памяти на чипе, замедления отдельных фотонов для их хранения и создания более экзотических структур на чипе путём реализации более сложных вещей, чем простое прожигание спектральных дыр, — поделилась планами Элизабет Голдшмидт. — Мы как молоток, ищущий гвозди, и уже нашли много».

Дополнительная информация: Priyash Barya et al, Ultra high-Q tunable microring resonators enabled by slow light, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65533-1

Источник: University of Illinois Grainger College of Engineering