Памяти хватит одного фотона: поляритонный лазер запоминает поляризацию

Поляритоны — одни из самых экзотических и при этом практически перспективных квантовых объектов современной физики. Они возникают в полупроводниковых микрорезонаторах — тонких «сэндвичах» из полупроводниковых слоёв, зажатых между двумя зеркалами. Когда фотоны многократно отражаются в зеркалах, они начинают сильно взаимодействовать с экситонами — связанными парами из электрона и дырки, рождающимися в квантовых ямах. Эта сильная связь создаёт новые квантовые состояния — поляритоны, которые наследуют свойства и от фотонов (чрезвычайно малую эффективную массу и огромную скорость), и от экситонов (способность к сильным нелинейным взаимодействиям).

При достаточно высокой плотности поляритоны способны образовывать конденсат Бозе—Эйнштейна — квантовое состояние, в котором огромное число частиц движется в унисон, как единый квантовый объект. Поляритонный лазер использует именно это явление: когда конденсат насыщается, он начинает испускать когерентный свет с порогом накачки, значительно более низким, чем у обычного полупроводникового лазера.

Как один фотон задаёт поляризацию

Поляритоны существуют в двух круговых поляризациях — правой и левой. Это означает, что конденсат поляритонов можно охарактеризовать вектором Стокса или точкой на сфере Пуанкаре. В отсутствие внешних анизотропий вектор Стокса выбирается системой случайно при каждом формировании конденсата. Однако физики задались вопросом: что произойдёт, если до начала формирования конденсата ввести в моду резонатора маленькую «затравку» — несколько или даже один поляритон с заранее заданной поляризацией?

Благодаря бозонному усилению — фундаментальному эффекту, при котором уже заполненные состояния притягивают новые частицы с экспоненциально большей вероятностью, — конденсат предпочитает расти, сохраняя именно ту поляризацию, которую задала затравка. Чем быстрее конденсат нарастает, тем меньше времени у флуктуаций, чтобы «сбить» поляризацию с нужного направления. В итоге поляризация записывается, закрепляется и сохраняется даже после того, как отдельные поляритоны, несущие эту информацию, давно распались и были заменены новыми из резервуара.

Физтехи формализовали этот механизм, решив стохастическое уравнение Гросса—Питаевского, которое включает насыщаемое усиление, потери и гауссов белый шум. Численное моделирование ансамбля из 5 тысяч независимых реализаций позволило получить полные распределения поляризационного состояния конденсата в любой момент времени.

Наносекундная память при пикосекундном времени жизни

Для количественной оценки качества поляризационной памяти авторы ввели метрику PAM. Она принимает значение 1 при идеальном сохранении поляризации и 0 при полной потере памяти. Расчёты показали впечатляющий результат: даже для затравки из единственного поляритона метрика сохраняется на уровне, существенно превышающем случайный, на временах порядка сотен пикосекунд. Для затравки из 100 поляритонов значение метрики составляет около 0,9 — практически идеальное сохранение, и это удерживается существенно дольше.

Ключевой парадокс: время жизни отдельного поляритона составляет единицы-десятки пикосекунд, в то время как поляризационная память сохраняется на наносекундном масштабе — в сотни раз дольше. Ответ лежит в коллективной природе конденсата: бозонное усиление непрерывно «восполняет» потери из резервуара экситонов, закачивая новые поляритоны преимущественно в состояние с изначально заданной поляризацией. Конденсат действует как самоорганизующийся усилитель поляризационного сигнала.

Физики подчёркивают: описанная память классическая, а не квантовая. В рамках полуклассического описания единственный фотон моделируется как слабое классическое возбуждение. Вопрос о том, может ли одиночный фотон произвольной поляризации навязать свою поляризацию поляритонному конденсату, требует дополнительных исследований.

Несколько лабораторий по всему миру — в Германии, США, Китае и России — работают над созданием поляритонных устройств, работающих при комнатной температуре. В 2024 году уже были продемонстрированы поляритонные спиновые переключатели с временными откликами менее одной пикосекунды. Если к этим переключателям добавить механизм поляризационной памяти, описанный в статье, получится полноценный поляритонный «защелкивающийся» бит — устройство, которое может удерживать поляризационное состояние и переключаться по однофотонному триггеру.

Ключевым вопросом остаётся экспериментальная реализация в конкретных материалах. Для GaAs-систем при криогенных температурах проверка технически достижима уже сегодня. Для комнатно-температурных систем на нитридах или перовскитах задача сложнее из-за более коротких времён жизни поляритонов. Денис Новокрещенов, аспирант кафедры Российского квантового центра МФТИ, отметил: «Ключевой сюрприз — насколько мало нужно для записи информации. По нашим оценкам, достаточно одного фотона: бозонное усиление делает из него настоящий ключ, задающий поляризацию макроскопического конденсата».