Учёные Университета Райса открыли способ управлять светом на уровне, недоступном ранее, — это может стать основой для квантовых компьютеров, способных решать задачи за минуты, на которые сегодня уходят тысячелетия. В центре открытия — трёхмерная структура, которая действует как «ловушка» для света, многократно отражая его между поверхностями, подобно бесконечному зеркальному лабиринту. Эксперименты показали: такая система не просто удерживает фотоны, но и заставляет их взаимодействовать с электронами в режиме, который раньше считался теоретическим — сверхсильной связи, где энергия переходит между светом и материей быстрее, чем рассеивается.

Ключевой элемент технологии — трёхмерный резонатор, превосходящий по сложности традиционные одномерные аналоги. Если упростить, то он работает как настраиваемый фильтр, усиливающий определённые «волны» (моды) и заставляющий их влиять на движущиеся в магнитном поле электроны. Это взаимодействие порождает гибридные состояния — поляритоны, сочетающие свойства света и частиц материи.

Графики показывают, как свет проходит через материал в зависимости от частоты вращения заряженных частиц в магнитном поле. Слева (a, b) — результаты компьютерного моделирования, справа (c, d) — реальные эксперименты. Верхние графики соответствуют одному направлению колебаний света, нижние — другому. Белые точки отмечают основные частоты, где свет проходит лучше всего. Пунктирная линия — базовая частота вращения частиц без учёта взаимодействия со светом. Области, где свет и материя объединяются в гибридные состояния, выделены на графиках. Источник: Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-58835-x

Главный сюрприз исследования — обнаружение опосредованной связи между фотонами через электроны. Раньше считалось, что частицы света почти не взаимодействуют друг с другом, но в трёхмерном резонаторе, под определённой поляризацией, они начинают обмениваться энергией через посредника — материю. Это открывает путь к созданию квантовых схем, где информация передаётся не отдельными фотонами, а их связанными группами, что резко повысит скорость и надёжность систем.

Эксперименты потребовали экстремальных условий: температуры, близкие к абсолютному нулю, и магнитные поля в тысячи раз сильнее земного. Однако уже сейчас ясно, что технология может найти применение в разработке квантовых процессоров, защищённых линий связи и сверхчувствительных датчиков для медицинской диагностики или автономных автомобилей. Например, такие сенсоры смогут «видеть» сквозь стену или обнаруживать мельчайшие примеси в воздухе.

«Мы лишь прикоснулись к возможностям трёхмерных резонаторов, — отмечают исследователи. — Следующий шаг — научиться масштабировать систему и интегрировать её в существующие платформы, вроде квантовых чипов». Если это удастся, то через десятилетие технологии на основе управляемой сверхсильной связи могут стать такой же обыденностью, как сегодня — Wi-Fi или лазерные диоды.

Подробнее на iXBT