Физики СПбГУ предложили новую оперативную память для компьютера, работающего с информацией в виде света

Объемы информации в современном мире растут в геометрической прогрессии, а для обработки такого массива данных в цифровом виде требуется все больше ресурсов, из‑за чего вычислительные возможности современных компьютеров близки к пределу своих возможностей. В связи с этим ученые ищут новые способы, которые позволят увеличить эффективность вычислений. Среди возможных вариантов — создание компьютеров нового поколения, например оптических, которые для передачи и обработки информации используют свет (фотоны) вместо электрических сигналов, применяемых сегодня.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Physical Review B

Оптические системы слабее нагреваются и потребляют меньше энергии по сравнению с традиционными полупроводниковыми устройствами, однако их интеграция с электронными системами требует создания принципиально новых технологий. Физики Санкт‑Петербургского государственного университета предложили новый способ такого хранения света с помощью явления трехимпульсного фотонного эха в магнитном поле, что в перспективе может значительно ускорить вычисления.

Исследование выполнено в ресурсном центре «Нанофотоника» Научного парка СПбГУ. Проект «Протокол когерентного оптического контроля экситонов в малых магнитных полях» поддержан грантом Российского научного фонда.

Санкт‑Петербургский университет уже несколько лет подряд является одним из лидеров по количеству грантов Российского научного фонда. В 2022 году ученые СПбГУ получили 112 грантов — это 5,5 % от общего числа победивших проектов и наибольшее число грантов для одной организации. При этом 25 % поддержанных проектов выполняются под руководством молодых исследователей. В 2023 году Университет сохранил лидерство в данном конкурсе РНФ: ученые СПбГУ получили 70 грантов, это 5 % от общего числа победивших проектов. От Санкт‑Петербургского университета на конкурс 2023 года было подано 214 заявок, и практически каждая третья из них получила поддержку.

«Протокол фотонного эха использует два лазерных импульса для записи информации и один для считывания. Главная сложность в таком подходе — сохранить когерентность света, то есть фазу световой волны (ее положение в цикле колебаний). Для записи информации используются особые состояния в полупроводниковых кристаллах — экситоны. Они позволяют записывать и считывать данные за очень короткое время, лишь за триллионные доли секунды. Чтобы информация хранилась дольше, экситоны переводят в "темное" состояние с помощью магнитного поля», — пояснил один из авторов исследования, аспирант СПбГУ Роман Назаров.

Экситоны — это связанные пары из электрона и «дырки» (места, где электрона не хватает), которые образуются в полупроводниках или диэлектриках. Их можно представить как временные «атомы» внутри материала: электрон и «дырка» притягиваются друг к другу, но не сливаются. Экситоны могут находиться в темном состоянии, при котором они не взаимодействуют со светом, не излучая и не поглощая фотоны. Его можно использовать для долгого хранения информации, поскольку в обычном состоянии экситоны быстро рекомбинируют, то есть объединяются, превращаясь в свет, а темным это запрещено, поэтому они могут существовать гораздо дольше.

По словам ученого, свет — это волна и важно суметь сохранить не только ее амплитуду, но и момент времени, когда волна достигает своего пика, то есть фазу света. Предложенный учеными Санкт‑Петербургского университета метод позволяет с помощью магнитного поля сохранить фазу света в темных экситонах, а затем извлечь ее из них для считывания. Полученные результаты открывают перспективы создания устройств нового поколения для хранения оптической информации, работающих с меньшими затратами энергии и доступных для широкого применения.

Санкт‑Петербургский государственный университет — старейший университет России — был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — один из крупнейших научно‑образовательных центров. Здесь учатся более 20 тысяч студентов, созданы более 15 крупных лабораторий и 23 ресурсных центра, входящих в ведущий Научный парк страны. Выпускники Университета неоднократно становились лауреатами Нобелевской и Филдсовской премий.

С недавних пор Северная столица официально отмечает новый праздник — День Санкт‑Петербургского государственного университета, внесенный в закон Санкт‑Петербурга «О праздниках и памятных датах в Санкт‑Петербурге».

В феврале 2025 года состоялась торжественная церемония, в ходе которой космонавты «Роскосмоса» передали Университету флаг «300 лет СПбГУ», проделавший путь до Международной космической станции и обратно.