Учени, финансирани от ЕС, създадоха в лаборатория свръхтвърда светлина и сега изследват как това странно ново състояние на материята може да захрани реални технологии.
Може ли светлината да бъде твърда? В микроскопичния свят на квантовата реалност изглежда, че може.
В скорошно революционно проучване, финансирано от ЕС и публикувано в списание Nature, екип от изследователи успя да създаде свръхтвърда светлина — странно хибридно състояние на материята, което съчетава структурата на твърдо тяло с протичането без триене на свръхфлуид.
От теорията към приложението
Сега тяхното внимание се измества от теорията към приложението, тъй като изследват как това откритие може да проправи пътя за напредък в квантовите изчисления и фотонните технологии, включително оптичните невронни мрежи, които захранват изкуствения интелект.
Даниеле Санвито, изтъкнат физик, специализиращ във взаимодействията между светлината и материята, ръководи изследванията в Националния изследователски съвет на Италия (CNR).
„Всъщност открихме свръхтвърда фаза в състояние, което съчетава светлина и материя“, казва Санвито, който е директор по научноизследователската дейност в Института по нанотехнологии (CNR NANOTEC) в Лече, Италия, и координира четиригодишна, финансирана от ЕС научноизследователска инициатива, наречена Q-ONE.
Обединявайки експертните знания на учени от водещи научноизследователски институти в Италия, Австрия и САЩ, екипът успява да създаде състояние на светлина и материя, което едновременно е кристалоподобно твърдо тяло и тече като течност.
Това откритие беше постигнато с използването на хибридна частица, известна като екситон-поларитон, която комбинира свойствата на светлината (фотон) и материята (екситон). С помощта на тази частица изследователите отварят нови научни хоризонти с потенциални приложения, които се простират далеч отвъд лабораторията, в Европа и отвъд нея.
Този значителен пробив в квантовата физика идва и в подходящ момент. На 16 май отбелязваме Международния ден на светлината, годишнината от първото използване на лазер през 1960 г. от американския физик Теодор Майман.
Изследванията на проекта Q-ONE върху свръхтвърдите тела показват колко далеч е стигнала тази област на научните изследвания оттогава.
Свръхтвърда светлина
Повечето от нас добре познават обичайните състояния на материята — твърдо, течно и газообразно. Но съществуват и други, по-екзотични състояния, които могат да бъдат създадени, като например свръхтечности — течности, които текат без съпротивление. Свръхтвърдите тела са друго такова екзотично състояние.
„Ако една свръхтечност придобие подредена структура в пространството, подобно на кристал, тогава тя се нарича свръхтвърда“, обяснява Санвито. „Изглежда като твърдо тяло, но в същото време може да се движи, общо взето, без триене.“
Преди осем години Санвито и неговият екип показаха, че в полупроводник светлината може да тече като течност. Сега те правят още една крачка напред в изследването си, като създават подредена структура от необичайни частици светлина—материя.
Тези частици се формират, когато фотоните — частиците на светлината — взаимодействат силно с електрони във възбудено състояние в полупроводник, създавайки хибридни образувания, известни като екситон-поларитони.
Комбинирайки свойства на светлината и на материята, те отварят нови възможности за манипулиране на светлината по начини, които преди не бяха възможни.
Свръхтвърдите тела — материали, които се държат едновременно като твърди тела и свръхтечности — досега са наблюдавани само при свръхстудени атомни газове. Но това започва да се променя.
„Ние сме първите, които показват, че свръхтвърди тела могат да се формират и в твърдотелни устройства, които не изискват свръхниски температури“, казва Санвито.
Този пробив прави възможно изследването на реални приложения без необходимостта от сложни и свръхстудени лабораторни установки, използвани за атомни кондензати. Това потенциално ще проправи пътя за нови технологии в компютърните изчисления, сензориката и други области.
„Вълнуващо е, защото означава, че можем да изследваме напълно нови физични явления в полупроводников чип.“
Квантови състояния
Изследователите от Q-ONE искат да създадат и идентифицират различни квантови състояния на материята, използвайки поларитонни квантови невронни мрежи.
„Целта ни в изследването Q-ONE е да използваме силните нелинейни свойства на поларитоните, за да изградим изкуствена невронна мрежа, която не само може да идентифицира, но в крайна сметка и да създава квантови състояния на светлината“, казва Санвито.
Изследователският екип на Q-ONE не е единственият, който изследва пресечната точка между квантовите състояния и изкуствения интелект. От 2010 г. професор Барбара Пиетка, физик във Варшавския университет, също ръководи изследователска група, чиито интереси са фокусирани върху екситон-поларитоните.
Пиетка в момента координира четиригодишен изследователски проект, наречен PolArt, подкрепен от Европейския съвет по иновациите. Нейният екип работи в тясно сътрудничество с екипа на Санвито в CNR в Италия, както и с други водещи изследователи в тази област от Италия, Полша, Сингапур и Франция.
Невронни мрежи
Изследователите от проекта PolArt търсят по-конкретно начини за използване на екситон-поларитоните с изкуствени невронни мрежи.
„Те са нашите основни градивни елементи“ казва Пиетка. „Използваме тези частици, познати като квазичастици, за да конструираме големи невронни мрежи.“
Според Пиетка голяма част от работата им е станала възможна благодарение на работата на Санвито, който е показал, че екситон-поларитоните могат да се използват за изграждането на усъвършенствани невронни изчислителни мрежи — компютърни мрежи, които имитират структурата и функцията на мозъка и нервната система у човека.
Една от възможностите, изследвана от екипа на PolArt, е да ги интегрира в чипове с помощта на кристали, направени от материал, наречен перовскит. В сравнение с конвенционалните компютърни чипове, които имитират невронните мрежи, основаните на поларитон подходи предлагат значително по-ниска енергийна консумация и по-бързи скорости на обработка.
„Можем да извършваме една операция само с няколко фотона“, казва Пиетка.
Повече, по-бързо, по-добре
Пиетка и екипът ѝ работят върху увеличаването на мащаба на своите невронни мрежи, основани на поларитон, за да могат да решават все по-сложни задачи.
„Постепенно изграждаме по-големи мрежи, които ни дават възможност да решаваме по-сложни проблеми“, обяснява тя.
Този подход има потенциала да захранва по-бързи и по-ефективни големи езикови модели. Тези усъвършенствани модели с ИИ са проектирани да работят с голяма ефективност, като същевременно използват по-малко ресурси и навлизат все повече в нашето ежедневие.
„Колкото по-голяма е мрежата, толкова по-сложни задачи може да изпълнява“, казва Пиетка.
Водеща роля
Според Санвито Европа в момента е начело в изследванията на екситон-поларитоните.
„Въпреки силната конкуренция — особено от страна на Китай, който инвестира сериозно в наука — в момента Европа води в голяма част от тази област“, твърди той.
Пиетка се съгласява, като отбелязва, че изследванията върху поларитонните невронни мрежи са съсредоточени предимно в Европа.
Тази водеща позиция обаче, която се дължи отчасти на финансирането от ЕС, особено чрез Европейския научноизследователски съвет и Европейския съвет по иновациите, е изложена на риск, ако не се увеличат инвестициите в наука.
„Изключително важно е Европа да продължи да инвестира в тези изследвания и по-общо във фундаменталните науки, за да запази преднината си“, казва Санвито.
И двата екипа имат още работа пред себе си — и големи надежди. „Крайната цел е да се разработи мрежа, която да обработва данните с максимална скорост и ефективност“, казва Пиетка.
Изследванията в тази статия са финансирани от Европейския съвет по иновациите (ЕСИ). Възгледите на интервюираните лица не отразяват непременно позицията на Европейската комисия.
Повече информация:
- Q-ONE
- PolArt
- Quantum — Изграждане на цифровото бъдеще на Европа
- ЕС и изкуственият интелект в науката
Тази статия е публикувана за пръв път в Horizon, списанието на ЕС за изследвания и иновации.
Още по темата
Технологии
Поглед към небето за безопасно плаване в ледени води
Физика
За първи път лазерна светлина е превърната в свръхфлуидно твърдо тяло
Космос
Междузвездни войни: какво е убило масивните галактики във Вселената?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Китай инсталира прекъсвачи в слънчеви панели, продавани на Запад
dapeev
Учени предлагат край на притеснителната сингулярност на черните дупки
Бешката
Трогателна среща в Москва на командирите на Союз и Аполо 40 години след скачването
dolivo
Нова храна за медоносните пчели, заместваща прашеца, дава надежда за оцеляването им