Зачем учёные пытаются остановить свет и как это поможет создать ИИ нового поколения

Свет движется с самой большой скоростью, которую знает современная физика. Однако учёные выяснили, что замедление или остановка частиц света позволит добиться прорывов сразу в нескольких областях: от хранения и передачи информации до развития технологий на базе ИИ. Рассказываем, как физики смогли замедлить свет, возможно ли его полностью остановить и как эти эксперименты могут пригодиться в реальных устройствах и перспективных технологиях.

Что такое «остановленный свет»

Когда учёные говорят об «остановке света», речь не идёт о буквальной остановке фотонов света в вакууме. Фотоны — это безмассовые частицы, которые в вакууме всегда движутся со скоростью света.

Однако когда свет проходит через любую прозрачную среду — будь то стекло, вода или оптическое волокно, — он замедляется. Причина в том, что фотоны взаимодействуют с атомами вещества: они сталкиваются с ними во время движения, поглощаются и переизлучаются. Этот процесс занимает время, поэтому общая скорость света в среде падает.

На основе этого наблюдения возникла идея подобрать такой материал и другие условия, чтобы свет замедлялся как можно сильнее. Конечно, речь не идёт о том, что фотоны замирают на месте. Технически «остановленный» свет — это падение групповой скорости движения небольшого светового импульса. Когда это скопление частиц входит в специально подготовленную среду, оно начинает с ней взаимодействовать и его скорость резко снижается.

Когда учёные «останавливают» свет, они сохраняют информацию, которую нёс световой импульс, в материальной среде. Данные, которые он нёс, как бы «впечатываются» в атомы или особые квантовые состояния материальной среды.

Что происходит дальше с этой информацией?

• Её можно хранить некоторое время. Продолжительность хранения зависит от свойств материала и метода «остановки».
• Её можно извлечь по команде, то есть снова превратить в световой сигнал и отправить дальше.
• Её можно изменить или обработать, пока она находится в «записанном» состоянии внутри материала.

Сложно ли замедлить свет

Природа фотонов и их невероятная скорость создают трудности для их прямого захвата и хранения по сравнению с электронами. Современные технологии пока не могут напрямую хранить фотоны; вместо этого информацию, которую они несут, приходится преобразовывать в другую, более управляемую форму, например в звуковые сигналы или атомные состояния.

Ключевая проблема — заставить атомы поглотить фотоны, сохранив при этом квантовое состояние, переносимое световым импульсом. Восстановление этого квантового состояния света после хранения — сложная задача, и исследователи всё ещё работают над её решением. Отдельные фотоны обладают очень малой энергией, поэтому их сложно вычленить и распознать среди других таких же квантов света.

© Georg Heinze et. al.

Фото остановленного на минуту света, которое получили немецкие учёные в 2013 году

Квантовые состояния по своей природе очень чувствительны к внешнему шуму, а теорема о запрете клонирования не позволяет идеально их скопировать. Это значит, что среда хранения должна быть исключительно стабильной и изолированной от помех окружающей среды.

Как замедляют свет

Учёные используют несколько методов для замедления и «остановки» света. Каждый из них основан на уникальных физических принципах и имеет свои преимущества и ограничения.

Электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИТ)

Для этого способа используют материал, который обычно не пропускает свет определённого цвета, как, например, тёмное стекло. ЭИТ позволяет сделать этот материал временно прозрачным для света с нужной длиной волны. При этом такой свет, попадая в материал, замедляется.

• Как это работает: один «зондирующий» лазер сначала проверяет материал. Затем второй, более мощный, «управляющий» лазер взаимодействует с атомами материала так, что они перестают поглощать свет «зондирующего» лазера. Информация, которую нёс световой импульс, как бы «впечатывается» в атомы и может там храниться некоторое время.
• Где применяется: ЭИТ работает в очень холодных газах, некоторых твёрдых телах и даже используется для лазерного охлаждения атомов.
• Ограничения: этот метод работает только для света со специфическими характеристиками. Он чувствителен, и часто для него нужны экстремально низкие температуры и вакуум, что усложняет создание практических устройств.

Фотонные кристаллы и волноводы

Фотонные кристаллы — это искусственные материалы с очень упорядоченной внутренней структурой на наноуровне — её элементы измеряются миллиардными долями метра. Эту структуру можно сравнить с идеально ровной кристаллической решёткой, только для света.

• Как это работает: периодическая структура фотонного кристалла заставляет свет двигаться по сложным траекториям. В определённых участках этой структуры скорость переноса энергии и информации света резко падает. Специальные каналы в таких кристаллах, называемые волноводами, могут направлять и удерживать этот замедленный свет.
• Преимущества: фотонные кристаллы могут работать при комнатной температуре, их можно встраивать в чипы. Это открывает дорогу к созданию компактных устройств для временного хранения данных, которые называются оптическими буферами, и других энергоэффективных компонентов.
• Ограничения: существует компромисс — чем сильнее замедляется свет, тем меньше информации он может нести. Малейшие дефекты при изготовлении таких наноструктур могут сильно ухудшить их работу.

Оптомеханические системы

Эти системы основаны на взаимодействии света (фотонов) и механических колебаний (фононов) очень маленьких объектов. Представьте, что свет «общается» с микроскопическими вибрациями, похожими на дрожание струны.

• Как это работает: управляя этим взаимодействием, можно добиться эффекта, похожего на ЭИТ. Механические колебания помогают создать условия, при которых свет проходит через материал медленнее. Скорость света можно настраивать, изменяя параметры системы.
• Преимущества: есть надежда, что такие системы позволят хранить световые импульсы прямо на чипе. Уже есть успехи в хранении света при комнатной температуре на доли миллисекунды.
• Ограничения: полностью «остановить» свет таким способом пока трудно. Создание качественных наноразмерных оптомеханических устройств — это вызов, так как малейшие дефекты приводят к потерям света.

Квантовая память

Квантовая память — это следующий уровень хранения информации. Она предназначена для записи не просто битов (0 или 1), а хрупких квантовых состояний света, так называемых кубитов. Кубиты могут одновременно представлять и 0, и 1, что открывает невероятные вычислительные возможности.

© C. Rios et al., Nature Photonics

Упрощённая схема работы фотонной памяти

• Как это работает: квантовое состояние светового импульса (например, отдельного фотона) переносится и «запоминается» в ансамбле атомов или в специальных твердотельных системах. Затем, по команде, это состояние можно считать обратно в виде света. Это ключевая технология для квантовых компьютеров и квантовой связи.
• Ограничения: Сохранить и точно восстановить хрупкое квантовое состояние очень сложно. Одиночные фотоны несут крошечную энергию и легко теряются или искажаются. Фундаментальный принцип квантовой механики (теорема о запрете клонирования) не позволяет идеально скопировать неизвестное квантовое состояние, что ограничивает надёжность хранения.

Почему квантовые компьютеры могут сделать бесполезными пароли и шифрование

Рекорды по «остановке» света

В марте 2025 года учёные из Пекинской академии квантовой информационной науки (BAQIS) в Китае установили новый мировой рекорд — они смогли удержать информацию в виде света в течение беспрецедентных 4035 секунд — более часа.

Прорыв был достигнут благодаря новому подходу: преобразованию световых сигналов в звуковые (фононы), которые значительно медленнее и управляемее света. Затем эти звуковые сигналы хранились в плёнке из монокристаллического карбида кремния (SiC). В предыдущих попытках учёные использовали металлический алюминий или плёнки нитрида кремния, но они порождали высокие потери энергии и позволяли хранить свет лишь доли секунды.

До этого рекорд по хранению света составлял 16 секунд и был достигнут с использованием ультрахолодного атомного газа. Ещё одно недавнее достижение — хранение света при комнатной температуре на протяжении половины миллисекунды в оптическом микрорезонаторе на чипе размером 90 мкм.

В теории возможность «остановить» свет очень интересна, однако на практике такое излучение просто бесполезно. Почти бесконечная остановка может означать почти нулевую пропускную способность данных, что непрактично для непрерывных потоков.

Представьте, что вы хотите отправить письмо другу очень-очень медленной черепахой. Черепаха будет ползти долго, но письмо доставит. Однако если вы захотите этой же черепахой отправить сразу целую библиотеку книг (большой объём данных), то она просто не сможет всё унести за один раз, или это займёт слишком много времени. Её «пропускная способность» будет очень мала.

Точно так же и со светом: если сильно его «затормозить», он уже не сможет быстро передавать большие объёмы данных.

Зачем учёные замедляют свет

По большей части «остановленный» свет пригодится в вычислительной технике, с чем и связаны его практические приложения.

Оптические компьютеры

Существующие компьютеры, как домашние, так и суперкомпьютеры в вычислительных центрах, основаны на архитектуре, в которой центральный процессор (ЦП) и память соединены шиной данных. Это создаёт препятствие для вычислений в области ИИ, известное как «узкое место фон Неймана» или «стена памяти». Процессор часто простаивает, ожидая передачи больших объёмов данных между памятью и вычислительным блоком, так как скорость передачи данных значительно ниже скорости вычислений. Это особенно остро проявляется в задачах ИИ из-за огромного объёма информации — обучение нейросетей часто требует обработки миллиардов или триллионов единиц данных. По той же причине обучение новых алгоритмов требует огромных затрат энергии.

Параллельная обработка информации не решает проблему и даже может её усугубить, увеличивая нагрузку на общую шину памяти. Главное ограничение традиционных компьютеров для ИИ-приложений связано не столько со скоростью вычислений, сколько с ограничением на перемещение данных между вычислительным блоком и памятью.

© Riken research institute

Оптический квантовый компьютер, созданный японскими учёными из исследовательского института Riken и компании Nippon Telegraph and Telephone Corp.

Решить эту проблему могут оптические вычисления, так как фотоны, которые они используют, могут одновременно быть и носителями информации, и элементами обработки, эффективно преодолевая «стену памяти» и снижая затраты энергии на перемещение данных.

Идея оптических вычислений

В оптических вычислениях вместо электронов для передачи и обработки информации используются фотоны — кванты света. Такие устройства кодируют данные в различные свойства света, такие как интенсивность, фаза, поляризация и длина волны. Эта закодированная информация затем направляется через сеть сложных оптических логических элементов. Эти элементы, построенные из нелинейных кристаллов, модуляторов и интерферометров, выполняют вычисления, манипулируя свойствами света. Результаты вычислений извлекаются при помощи фотодетекторов, которые преобразуют оптические параметры в электрические сигналы.

Базовая оптическая вычислительная система требует четырёх основных компонентов:

• источника для кодирования данных;
• среды для качественной передачи сигнала;
• модуляторов для изменения свойств света и построения логических элементов;
• детекторов для извлечения результатов.

Преимущества оптических компьютеров

Оптические компьютеры обладают рядом значительных преимуществ:

• Высокая скорость. Оптические схемы обладают временем переключения в несколько пикосекунд — примерно в 1000 раз быстрее электронных.
• Низкое энергопотребление. Основная часть энергии в оптических компьютерах расходуется на источник фотонов и детекторы, тогда как электронные устройства требуют смещения напряжения по всей схеме.
• Минимальное тепловыделение. Оптические вычисления генерируют очень мало тепла и могут работать практически без систем охлаждения.
• Внутренняя параллельная обработка. Оптические системы легче справляются со сложными задачами благодаря своей способности к параллельным и независимым вычислениям.
• Масштабирование оптических схем обычно проще и дешевле по сравнению с электрическими чипами.
• Устранение процессов преобразования. Оптические вычисления могут устранить необходимость в дорогостоящих и энергоёмких преобразованиях оптических сигналов в электрические и обратно, которые сейчас нужны в центрах обработки данных.

При чём тут «замедленный» свет

Оптические буферы — устройства, способные временно хранить свет без преобразования его в электрические сигналы. Это важно для управления потоком данных в полностью оптических сетях, компенсации временных различий и предотвращения ситуаций, когда несколько пакетов данных прибывают одновременно.

Оптические буферы на замедленном свете могут значительно снижать групповую скорость света, теоретически до нуля, что позволяет увеличить время хранения оптических сигналов.

© Q.ANT

Пластина тонкоплёночного ниобата лития, из которого изготавливают фотонные интегральные схемы

Однако существует фундаментальное ограничение: минимально достижимый физический размер 1 бита в оптических буферах на замедленном свете примерно равен длине волны света в буфере. Это значит, что по плотности хранения информации такие устройства будут сравнимы с современными элементами энергонезависимой памяти.

Новое поколение ИИ

Оптические компьютеры способны значительно ускорить задачи машинного обучения и ИИ, особенно обучение и работу больших нейронных сетей. Они позволяют обеспечить более высокую скорость обработки данных по сравнению с традиционными электронными методами, что важно для развития ИИ.

Например, нейроморфная вычислительная платформа, разработанная Индийским научным институтом (IISc), может сократить сложные операции машинного обучения, такие как умножение матриц 64 x 64, всего до 64 шагов. Для сравнения: существующие методы требуют 262 144 операции.

Нейроморфные оптические чипы

Нейроморфные вычисления — это подход к созданию вычислительных систем, имитирующих работу человеческого мозга. Однако в отличие от мозга они используют свет вместо электрических сигналов. Фотонные системы теоретически более энергоэффективны, способны обрабатывать информацию со значительно меньшими потерями тепла и энергии, чем их электронные аналоги. В нейроморфной фотонике оптические компоненты (лазеры, модуляторы, детекторы) играют роль биологических нейронов и синапсов.

Эта технология может привести к значительному сдвигу в сторону так называемых граничных вычислений (edge computing), позволяя обучать и запускать ИИ на персональных устройствах — ноутбуках, смартфонах — вместо энергоёмких дата-центров.

В итоге

Исследования по замедлению света играют ключевую роль в световых коммуникациях и являются теоретической базой для создания фотонных компьютеров. Они, в свою очередь, могут помочь создать ИИ нового поколения: например, обучать нейросети быстрее, потребляя при этом меньше энергии и выделяя при этом меньше тепла по сравнению с электронными схемами. Тем не менее физикам предстоит решить ещё много фундаментальных проблем, прежде чем технология фотонных компьютеров выйдет за рамки лабораторий.