Мазеры, обладающие способностью обнаруживать и усиливать чрезвычайно слабые электромагнитные сигналы без добавления дополнительного шума, имеют множество потенциальных применений, включая производство более чувствительных сканеров магнитного резонанса, таких как те, что используются в аэропортах.
Несмотря на то что мазеры были изобретены в 1950-х годах, их развитие шло медленно из-за сложных и дорогостоящих условий, необходимых для их производства. Мазеры можно производить только в очень холодных условиях, в вакууме и при высоком магнитном поле.
Доктор Джуна Сатиан из Нортумбрийского университета — один из ведущих экспертов Великобритании в области мазерных технологий. Ранее она работала с коллегами из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона над созданием мазера, работающего при комнатной температуре и использующего лазерный свет. Однако этот метод дорог и сложен для воспроизведения в повседневных приложениях.
Доктор Сатиан возглавила команду исследователей, изучающих возможность использования светодиодов для создания доступной и энергоэффективной альтернативы, которую можно было бы использовать в квантовых технологиях, межпланетной связи и портативных сенсорных устройствах.
Статья, подробно описывающая их прорыв, озаглавленная «Мазер при комнатной температуре, накачиваемый светодиодами», была опубликована в журнале Communications Engineering.
Работа над исследованием
Исследование проводилось совместно с доктором Бетан Форд — старшим техником факультета энергетики и окружающей среды Нортумбрийского университета. София Лонг, студентка последнего курса докторантуры, является первым автором статьи.
Доктор Сатиан стремится привлечь больше молодых людей, особенно молодых женщин, к естественным наукам, технике, технологиям и математике (STEM). Она является членом комитета Института физики «Женщины в физике» и заведующей кафедрой физики в Нортумбрии.
О прорыве
Доктор Сатиан заявила: «Эта новаторская работа представляет собой значительный шаг вперёд в направлении создания доступных, энергоэффективных мазерных технологий и подчёркивает исключительный вклад нашей команды женщин-учёных, ведущих это исследование».
«Заменив сложные лазерные системы недорогими светодиодами, мы открыли дверь для практических мазеров, которые могут работать при комнатной температуре, открывая захватывающий потенциал в квантовых технологиях, безопасной связи, исследованиях дальнего космоса и портативных сенсорных устройствах».
Международное сотрудничество
Команда исследователей из Нортумбрийского университета тесно сотрудничала с ведущими международными коллегами, включая доктора Лизу Лопес и профессора Франсуа Балембуа из Высшей школы оптики Института оптики, Université Paris-Saclay, Франция; доктора Риккардо Монтиса из Университета Урбино, Италия; доктора Даана Арру и профессора Нила Олфорда из Имперского колледжа Лондона.
Профессор Олфорд сказал: «Я рад видеть, что эта работа опубликована — это результат действительно продуктивного сотрудничества между Имперским колледжем и Нортумбрийским университетом, и я с нетерпением жду следующей задачи для команды».
Профессор Балембуа добавил: «Светодиодные люминесцентные концентраторы обещают светлое будущее в качестве новых источников, сочетающих мощность и яркость. Мы гордимся тем, что вносим свой вклад в появление мазеров, работающих на светодиодах».
Многосинаптическая оптическая сеть превосходит цифровые модели ИИ
Учёные десятилетиями искали способы ускорить вычисления с помощью света. Фотонные нейронные сети — системы, которые используют свет вместо электричества для обработки информации — обещают более высокую скорость и меньшее энергопотребление, чем традиционные электронные системы.
Но, несмотря на свой потенциал, эти системы изо всех сил пытались соответствовать точности цифровых нейронных сетей. Ключевая причина: большинство фотонных систем всё ещё имитируют структуру и методы обучения цифровых моделей, что приводит к ошибкам при переводе с программного обеспечения на аппаратное.
Теперь исследовательская группа из Северо-Восточного политехнического университета и Юго-Восточного университета в Китае разработала новый вид фотонной нейронной сети, который освобождается от этого цифрового подражания. Их разработка, опубликованная в Advanced Photonics Nexus, использует физические преобразования света для обработки информации напрямую, без использования математических моделей.
Превосходство в точности
Традиционные фотонные нейронные сети обучаются в цифровом виде — на компьютере — перед переносом на физические устройства. Этот процесс приводит к ошибкам на нескольких этапах: во время математического моделирования, округления параметров, производства оборудования и сборки системы. Эти ошибки ограничивают точность конечной системы.
Чтобы преодолеть этот предел, исследователи разработали «фотонную мультисинаптическую нейронную сеть», которая обрабатывает информацию с помощью света более прямым и физическим способом. Вместо того чтобы полагаться на цифровые вычисления, система использует несколько оптических путей для соединения входных и скрытых слоёв.
Эти пути создаются с помощью пространственных модуляторов света и камер, которые манипулируют и фиксируют световые узоры в реальном времени. Сеть основана на структуре, называемой Extreme Learning Machine (ELM).
Результаты
Команда протестировала свою систему на трёх известных наборах данных для классификации изображений: MNIST (рукописные цифры), Fashion-MNIST (предметы одежды) и CIFAR-10 (цветные изображения объектов). Результаты не только превзошли производительность эквивалентных цифровых нейронных сетей, но и превзошли большинство существующих аппаратных систем.
Это исследование показывает, что фотонным нейронным сетям не нужно следовать тем же правилам, что и цифровым. Используя физические свойства света напрямую, а не пытаясь их смоделировать, учёные могут создавать системы, которые работают быстрее и точнее.
Контроль тёмных экситонов в полупроводниковых квантовых точках
Грегор Вайс и его команда из Департамента экспериментальной физики Инсбрукского университета вместе с исследователями из Дортмунда, Байройта и Линца продемонстрировали универсальный метод, который можно использовать для управления тёмными экситонами в полупроводниковых квантовых точках.
Работа опубликована в Science Advances.
Используя чирпованные лазерные импульсы и магнитное поле, учёные могут управлять спиновым состоянием этих экситонов контролируемым образом и преобразовывать яркие экситоны в тёмные. Они также могут обратить этот процесс вспять и превратить тёмные экситоны обратно в яркие.
«Таким образом, состояние может храниться в темноте в течение длительного периода времени и активироваться позже», — объясняют Флориан Каппе и Рене Шварц, первые авторы исследования.
В эксперименте в Инсбрукском университете исследователи смогли показать, как экситон сохранялся в тёмном состоянии и был преобразован обратно в яркое состояние с помощью дальнейшего лазерного импульса. «Это открывает новые возможности для управления квантовыми запоминающими устройствами и генерации запутанных пар фотонов в квантовых точках», — говорит Вайс, руководитель исследовательской группы.