Квантовые компьютеры смогут работать на основе лазеров, уменьшенных в 10 000 раз

Исследователи из Стэнфорда создали титан-сапфировые (Ti:Sa) лазеры, которые в 10 000 раз меньше любых предыдущих подобных устройств, и поместили их на чип. До сих пор такие лазеры стоили более $100 000. Но с новым подходом, изложенным в журнале Nature  ученые полагают, что стоимость может снизиться до $100 за лазер.

Они также утверждают, что в будущем на одной четырехдюймовой пластине можно будет построить тысячи лазеров — и стоимость одного лазера может стать минимальной. Эти малогабаритные лазеры можно будет использовать в будущих квантовых компьютерах, в нейробиологии и даже в микрохирургии.

Экспериментальный лазер основан на двух важнейших процессах. Во-первых, они измельчили кристалл сапфира до слоя толщиной всего в несколько сотен нанометров. Затем они создали закрученный вихрь из крошечных выступов, в который они направили зеленую лазерную указку. С каждым вращением внутри этого вихря интенсивность лазера увеличивалась.

«Одной из самых сложных частей было производство платформы», — рассказал соавтор исследования Джошуа Янг из Стэнфорда. «Сапфир — очень прочный материал. И когда вы его шлифуете, зачастую ему это не нравится, он трескается или повреждает то, что вы пытаетесь шлифовать».

Однако после решения этой проблемы Ян описал процесс как «гладкий ход». Но он хотел подчеркнуть, что, хотя команда находится в начальной точке, они уже могут «работать с полупроводниковой лазерной технологией, которая созрела более чем за десятилетие».

Одна из причин оптимизма команды заключается в том, что ее лазеры можно настраивать на разные длины волн: от 700 до 1000 нанометров, или от красного до инфракрасного.

Это имеет решающее значение для атомных исследователей, сказал Ян, приведя в пример твердотельные кубиты. «Этим атомным системам требуются разные энергии для перехода из одного состояния в другое», — сказал он. «Если вы покупаете один лазер с небольшой полосой пропускания усиления, а другой переход находится за ее пределами, то вам придется купить другой лазер для решения этой другой системы».

«Первая возможность, которую мы действительно видим, — это рынок академических исследований», — сказал Ян. «Как исследователи, мы знаем эту потребность в лазерах. И мы знаем, что то, что мы можем предоставить, намного лучше того, что сейчас есть на рынке».

Хотя Ян не стал называть точную цену, он сказал, что она будет зависеть от встроенных функций, но она, безусловно, будет на порядок ниже, чем у нынешних Ti:Sa-лазеров.

Миниатюрные лазеры можно использовать в квантовых компьютерах, что позволит сделать их намного меньше. Они также могут произвести революцию в области оптогенетики, сказал Ян, где ученые контролируют нейроны с помощью света, направляемого внутрь мозга; в настоящее время они используют технологию толстого оптического волокна. Наконец, миниатюрные лазеры Ti:Sa можно использовать в лазерной хирургии.

Все это зависит от того, смогут ли Янг и его коллеги успешно продолжить миниатюризацию и массовое производство этой технологии, чтобы на одной четырехдюймовой пластине можно было разместить сотни или даже тысячи лазеров.

Однако Ян уверен в успехе, говоря, что, по его мнению, первый «настраиваемый лазер» для академических пользователей может поступить в продажу в течение двух лет. Он добавил: «Потенциальные возможности применения этих миниатюрных лазеров огромны, и кто знает, где мы будем через пять лет?»