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
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция