Rozszyfrowując kod superstałego światła – i co to oznacza dla przyszłych technologii kwantowych
Autor: Jonathan O’Callaghan
Streszczenie
Europejscy naukowcy, kierowani przez Daniele Sanvitto z włoskiego CNR, stworzyli w laboratorium nowy stan materii – superstałe światło, które łączy właściwości światła i materii, będąc jednocześnie uporządkowaną strukturą i płynną formą. Kluczową rolę odgrywają tu ekscyton-polaritony, hybrydowe cząstki umożliwiające manipulowanie światłem w zupełnie nowy sposób. Badania te mogą zrewolucjonizować technologie kwantowe, w tym rozwój sztucznej inteligencji, ponieważ polarytonowe sieci neuronowe oferują szybsze przetwarzanie danych przy minimalnym zużyciu energii. Europejscy badacze podkreślają, że kontynuacja inwestycji w badania podstawowe jest kluczowa, aby utrzymać przewagę w tej szybko rozwijającej się dziedzinie.
Czy światło może być ciałem stałym? Okazuje się, że w mikroskopijnym świecie mechaniki kwantowej – być może tak.
W niedawno opublikowanym, przełomowym badaniu finansowanym przez UE (opublikowanym w Nature), zespół naukowców z powodzeniem stworzył superstałe światło – dziwny, hybrydowy stan materii, który łączy strukturę ciała stałego z bezopornym przepływem supercieczy.
Od teorii do zastosowania
Teraz badacze przenoszą swoją uwagę z teorii na praktykę, analizując, jak to odkrycie może utorować drogę dla postępów w dziedzinie komputerów kwantowych i technologii fotonicznych, w tym sieci optycznych zasilających sztuczną inteligencję.
Daniele Sanvitto, wybitny fizyk specjalizujący się w interakcjach światło-materia, kierował badaniami w Narodowej Radzie Badawczej Włoch (CNR).
– W rzeczywistości odkryliśmy fazę superstałą w stanie, który łączy światło i materię – powiedział Sanvitto, dyrektor ds. badań w Instytucie Nanotechnologii (CNR NANOTEC) w Lecce we Włoszech, koordynujący czteroletni projekt badawczy finansowany z funduszy UE – Q-ONE.
Łącząc wiedzę naukowców z czołowych ośrodków badawczych we Włoszech, Austrii i USA, zespół zdołał stworzyć stan światła i materii, który był jednocześnie uporządkowanym, krystalicznym ciałem stałym i płynął jak ciecz.
„Odkryliśmy fazę superstałą w stanie, który łączy światło i materię.”
Daniele Sanvitto, Narodowa Rada Badawcza, Włochy
To odkrycie było możliwe dzięki wykorzystaniu hybrydowych cząstek zwanych ekscyton-polaritonami, które łączą właściwości światła (fotonu) i materii (ekscytonu). Dzięki nim badacze otwierają nowe granice naukowe, z potencjalnymi zastosowaniami, które wykraczają daleko poza laboratorium – zarówno w Europie, jak i na całym świecie.
To przełomowe osiągnięcie w dziedzinie fizyki kwantowej pojawia się w wyjątkowym momencie – 16 maja obchodzimy Międzynarodowy Dzień Światła, upamiętniający pierwsze użycie lasera w 1960 roku przez amerykańskiego fizyka Theodora Maimana.
Badania Q-ONE nad superstałymi pokazują, jak daleko zaszła ta dziedzina od tamtego czasu.
Superstałe światło
Większość z nas zna podstawowe stany materii – ciało stałe, ciecz i gaz. Ale istnieją też inne, bardziej egzotyczne stany, takie jak superciecze – płyny, które płyną bez oporu. Superstałe to kolejny egzotyczny stan.
– Jeśli superciecz zyskuje uporządkowaną strukturę w przestrzeni, jak kryształ, wtedy nazywa się ją superstałą – wyjaśnia Sanvitto. – Wygląda jak ciało stałe, ale jednocześnie może poruszać się, przynajmniej teoretycznie, bez tarcia.
Osiem lat temu zespół Sanvitto wykazał, że światło może przepływać jak ciecz wewnątrz półprzewodnika. Teraz badacze posunęli te badania dalej, tworząc uporządkowaną strukturę z nietypowych cząstek światło-materia.
Te cząstki powstają, gdy fotony – cząstki światła – silnie oddziałują z ekscytonami w półprzewodniku, tworząc hybrydowe jednostki zwane ekscyton-polaritonami.
Dzięki połączeniu właściwości światła i materii, polaritony otwierają nowe możliwości manipulowania światłem w sposób dotąd niemożliwy.
Superstałe – materiały zachowujące się jednocześnie jak ciało stałe i superciecz – do tej pory były obserwowane tylko w ultrazimnych gazach atomowych. To jednak się zmienia.
– Jesteśmy pierwszymi, którzy pokazali, że superstałe mogą również tworzyć się w urządzeniach półprzewodnikowych, które nie wymagają ultrazimnych temperatur – podkreśla Sanvitto.
To odkrycie otwiera drogę do badań nad rzeczywistymi zastosowaniami bez potrzeby skomplikowanych i kosztownych układów laboratoryjnych do kondensatów atomowych. Może to zrewolucjonizować technologie w zakresie obliczeń, czujników i wielu innych dziedzin.
– To ekscytujące, bo oznacza, że możemy badać zupełnie nowe zjawiska fizyczne na chipach półprzewodnikowych – dodaje Sanvitto.
Stany kwantowe
Naukowcy z Q-ONE chcą tworzyć i identyfikować różne stany kwantowe materii, wykorzystując polarytonowe sieci neuronowe.
– Naszym celem w projekcie Q-ONE jest wykorzystanie silnych, nieliniowych właściwości polaritonów do budowy sztucznej sieci neuronowej, która nie tylko będzie identyfikować, ale docelowo także tworzyć stany kwantowe światła – wyjaśnia Sanvitto.
Zespół Q-ONE nie jest jedynym, który bada przecięcie stanów kwantowych i sztucznej inteligencji. Od 2010 roku prof. Barbara Piętka z Uniwersytetu Warszawskiego prowadzi zespół badawczy skoncentrowany na ekscyton-polaritonach.
Obecnie Piętka koordynuje czteroletni projekt PolArt, finansowany przez Europejską Radę ds. Innowacji (EIC). Jej zespół ściśle współpracuje z zespołem Sanvitto z CNR we Włoszech oraz z innymi wiodącymi naukowcami z Francji, Włoch, Polski i Singapuru.
Sieci neuronowe
Zespół Piętki bada, jak wykorzystać ekscyton-polaritony w sztucznych sieciach neuronowych.
– Ekscyton-polaritony to nasze cegiełki – mówi Piętka. – Wykorzystujemy te cząstki, zwane kwazicząstkami, do budowy dużych sieci neuronowych.
Według Piętki wiele z tego, co robią, stało się możliwe dzięki pracy Sanvitto, która pokazała, że ekscyton-polaritony mogą być używane do budowy zaawansowanych sieci obliczeń neuronowych – systemów komputerowych, które naśladują strukturę i funkcje ludzkiego mózgu i układu nerwowego.
Jednym z kierunków badań zespołu PolArt jest integracja tych technologii z chipami przy użyciu kryształów z materiału zwanego perowskitem. W porównaniu do tradycyjnych układów komputerowych, które symulują sieci neuronowe, podejście oparte na polaritonach zużywa znacznie mniej energii i oferuje szybsze przetwarzanie danych.
– Możemy wykonać jedną operację przy użyciu zaledwie kilku fotonów – mówi Piętka.
Większe, szybsze, lepsze
Zespół Piętki pracuje nad skalowaniem swoich polarytonowych sieci neuronowych, aby obsługiwały coraz bardziej złożone zadania.
– Budujemy coraz większe sieci, które pozwalają nam stawiać czoła coraz bardziej zaawansowanym wyzwaniom – wyjaśnia Piętka.
To podejście może w przyszłości zasilać szybsze i bardziej wydajne modele sztucznej inteligencji, takie jak duże modele językowe (LLM), które stają się coraz bardziej zintegrowane z naszym codziennym życiem.
„Budujemy coraz większe sieci, które pozwalają nam stawiać czoła coraz bardziej zaawansowanym wyzwaniom.”
Barbara Piętka, Uniwersytet Warszawski
Wiodąca rola Europy
Według Sanvitto, Europa jest obecnie liderem badań nad ekscyton-polaritonami.
– Konkurencja jest zacięta – zwłaszcza że Chiny mocno inwestują w naukę – ale Europa prowadzi w wielu obszarach tej dziedziny – podkreśla Sanvitto.
Piętka zgadza się, zauważając, że badania nad polarytonowymi sieciami neuronowymi są w dużej mierze skoncentrowane w Europie.
Jednak to przywództwo – częściowo dzięki finansowaniu z UE, zwłaszcza z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC) i Europejskiej Rady ds. Innowacji (EIC) – jest zagrożone, jeśli nie zwiększymy inwestycji w naukę.
– To kluczowe, aby Europa nadal inwestowała w te badania i, ogólnie, w naukę podstawową, aby utrzymać przewagę – mówi Sanvitto.
Oba zespoły mają przed sobą jeszcze dużo pracy – i wielkie nadzieje.
– Naszym ostatecznym celem jest stworzenie sieci, która przetwarza dane z maksymalną szybkością i wydajnością – podsumowuje Piętka.
Autor: Jonathan O’Callaghan
Niniejsze streszczenie odnosi się do artykułu Cracking the code of supersolid light – and what it means for future quantum tech