Nytt gjennombrudd innen optisk kretsprogrammering: Lettberegning med hårtynne fibre

Nylig har forskere ved Heriot-Watt University (UK) oppdaget en kraftig ny metode for programmering av optiske kretser.
Denne metoden kan spille en avgjørende rolle for å realisere fremtidige teknologier som uknuselige kommunikasjonsnettverk og ultraraske kvantedatamaskiner. Forskningen er nå publisert i tidsskriftet Nature Physics.
Mehul Malik, en eksperimentell fysiker og professor i fysikk ved School of Engineering and Physical Sciences ved Heriot-Watt University i Storbritannia, forklarer: "Lys kan bære en enorm mengde informasjon, og optiske kretser, som beregner med lys i stedet for elektrisitet, blir sett på som det neste store spranget innen datateknologi."
"Men etter hvert som optiske kretser blir større og mer komplekse, blir de stadig vanskeligere å kontrollere og fremstille – noe som kan påvirke ytelsen deres. Vår forskning viser en annen, mer generell tilnærming til å designe optiske kretser, ved hjelp av naturlig forekommende prosesser."
Professor Mehul Malik og teamet hans utførte sin forskning ved å bruke kommersielle optiske fibre. Denne typen fiber er mye brukt over hele verden for å overføre Internett til individuelle hjem og bedrifter, og er tynnere enn bredden på et menneskehår og bruker lys til å overføre data.
Ved å utnytte den naturlige spredningsadferden til lys i optiske fibre, fant de ut at de optiske kretsene i fibrene kunne programmeres på en veldig presis måte.
"Når lys kommer inn i en optisk fiber, spres og blandes det på komplekse måter. Ved å forstå denne komplekse prosessen og presist forme lyset som kommer inn i fiberen, har vi funnet en måte å lage lyskretser midt i dette kaoset."
Optiske kretser er kritiske for fremtiden til kvanteteknologier, som er designet på mikroskopisk nivå ved å arbeide med individuelle atomer eller fotoner (lyspartikler). Disse teknologiene inkluderer kraftige kvantedatamaskiner med enorm prosessorkraft og kvantekommunikasjonsnettverk som ikke kan hackes.
Prof. Mehul Malik forklarer, "For eksempel er optiske kretser nødvendig på slutten av kvantekommunikasjonsnettverk slik at informasjon kan måles etter å ha reist lange avstander. De er også en nøkkeldel av kvantedatamaskiner for å utføre komplekse beregninger på lyspartikler."
Kvantedatamaskiner lover betydelige fremskritt innen områder som medikamentutvikling, klimaspådommer og romutforskning. Maskinlæring – kunstig intelligens – er et annet område der optiske kretser brukes til å behandle store datamengder raskt.
Prof. Mehul Malik påpeker at lysets kraft ligger i dets flerdimensjonalitet: "Vi kan kode mye informasjon på en enkelt partikkel av lys. Dens romlige struktur, dens tidsmessige struktur, dens farge. Hvis du kan beregne alle disse egenskapene ved samtidig kan du slippe løs enorm prosessorkraft."
Forskerne viste også hvordan deres programmerbare optiske kretser kan brukes til å manipulere kvanteforviklinger. Dette er et fenomen der to eller flere kvantepartikler, som fotoner, forblir forbundet selv når de er langt fra hverandre. Entanglement spiller en viktig rolle i mange kvanteteknologier, for eksempel feilretting i kvantedatamaskiner og implementering av de sikreste typene kvantekryptering.
Prof. Mehul Malik og hans forskningsgruppe ved Heriot-Watt Universitys Beyond Binary Quantum Information Laboratory gjennomførte studien med samarbeidende forskere fra institusjoner som Lunds universitet i Sverige, Sapienza Universitetet i Roma i Italia og Universitetet i Twente i Nederland.
Forskningen ble finansiert av QuantERA, et ledende europeisk nettverk av 39 offentlige forskningsfinansierende organisasjoner (rfo) fra 31 land, inkludert Austrian Research Promotion Agency (FFG) – Østerrikes nasjonale finansieringsbyrå for industriell forskning og utvikling; og European Research Council (ERC) – EUs finansieringsorganisasjon for banebrytende forskning.