Компактный программируемый оптический процессор большого масштаба в свободном пространстве

Оптические схемы без чипа

Современные технологии — от интернета до квантовых компьютеров — все чаще полагаются на свет для передачи и обработки информации. Большинство фотонных схем сегодня создаются на чипах, где свет ограничен в тонких волноводах. В этой работе исследуется совсем иной путь: выполнение мощных оптических вычислений в свободном пространстве, с использованием всего нескольких плоских программируемых экранов. Для неспециалиста это привлекательно: такой подход ведет к более легким и гибким «световым процессорам», которые можно перенастраивать как программное обеспечение и которые при этом способны решать задачи из области продвинутых вычислений и квантовой симуляции.

Преобразование плоских экранов в световые процессоры

Авторы показали, как построить компактный оптический процессор, используя три жидкокристаллических пространственных световых модулятора — устройства, схожие с высококлассными панелями проекторов. Вместо направления света по узким дорожкам они позволяют широкому пучку свободно распространяться, в то время как его характеристики слегка подправляются и поворачиваются на каждом слое. Информация хранится в детальном рисунке пучка: в круговой поляризации света (направлении вращения вектора электрического поля) и в малых боковых моментах, соответствующих сетке пятен в поперечном сечении пучка. Тщательно запрограммировав три модулятора, команда может реализовать сложные, математически точные преобразования, для которых обычно потребовались бы десятки или сотни отдельных оптических компонентов.

Симуляция квантовых блужданий на плоском столе

Чтобы проверить возможности процессора, авторы сосредоточились на семействе процессов, называемых квантовыми блужданиями. Это квантовые аналоги случайных блужданий, в которых частица шаг за шагом исследует сетку позиций. В отличие от «пьяному» блуждания, квантовый «путешественник» распространяется баллистически: его распределение вероятностей разрастается гораздо быстрее благодаря интерференции разных путей. В этой установке каждая возможная позиция на решетке представлена отдельным световым пятном в фокальной плоскости линзы, а внутренняя «монета», управляющая блужданием, кодируется в круговой поляризации света. Используя единичный входной пучок и фиксированную трёхслойную аппаратную схему, команда перенастраивает модуляторы так, что одно и то же физическое устройство может за один снимок воспроизвести эффект до 30 временных шагов одномерного или двумерного квантового блуждания, распределяя свет более чем по 7000 выходным модам.

Наблюдение беспорядка, полей и топологии в действии

Поскольку платформа полностью программируема, авторы могут выйти за рамки простого расширения и исследовать более богатые сценарии, имитирующие сложные материалы. Случайным изменением эффективного шага блуждания во времени они создают различные уровни «временного беспорядка» и прямо наблюдают переход от быстрого квантового расширения к более медленному, диффузионному поведению, анализируя, как расширяется рисунок световых пятен. Они также имитируют действие постоянного электрического поля на заряженную частицу, аккуратно смещая программируемый рисунок на каждом шаге, что вызывает периодическое фокусирование распределения — явление, известное как колебания Блоха. Еще более интересно то, что они исследуют скрытые топологические свойства моделируемых систем — глобальные характеристики, устойчивые к многим погрешностям. Разделяя два компонента круговой поляризации и отслеживая величину, называемую средней хиральной дислокацией, они извлекают целое «число завитков», маркирующее разные топологические фазы. В двумерной модели, напоминающей графен, они идут дальше и картируют так называемую квантовую метрику — геометрическую меру чувствительности системы к изменениям, сканируя разные импульсы с тем же оптическим оборудованием.

От классических пучков к одиночным фотонам

Все эти демонстрации сначала выполняют с обычным лазером, где яркость каждого пятна отражает распределение вероятностей квантового блуждающего. Чтобы показать, что платформа готова к настоящим квантовым экспериментам, команда заменяет лазер источником запутанных пар фотонов. Один фотон служит «герольдом», подтверждая присутствие партнёра, в то время как другой входит в трёхслойный процессор. С помощью быстрой времяразрешённой камеры они регистрируют совпадающие события и восстанавливают те же паттерны квантового блуждания на уровне одиночных фотонов. Тесное совпадение с теорией и данными, собранными с лазера, указывает на то, что устройство сохраняет деликатные квантовые суперпозиции по тысячам мод, несмотря на множественные отражения и сложное управление поляризацией.

Почему это важно для будущего фотоники

Проще говоря, эта работа показывает, что горстка программируемых оптических элементов в свободном пространстве может заменить глубокую, сложную фотонную цепь, не увеличивая потерь по мере роста сложности моделируемого процесса. Используя аналитический метод «обратного проектирования», требуемые рисунки для модуляторов можно вычислять напрямую, а не медленно оптимизировать. В результате получается компактный, перенастраиваемый световой процессор, способный реализовывать масштабные квантовые блуждания, исследовать беспорядок и синтетические поля, а также получать доступ к тонким топологическим и геометрическим свойствам — всё в одном и том же оборудовании. Для будущих технологий это указывает на практический путь к универсальным, высокоразмерным оптическим процессорам, которые могут менять роль по требованию — от квантовых симуляторов до продвинутых классических и квантовых информационных инструментов — просто загружая новые рисунки на три плоских экрана.

Цитирование: Ammendola, M.G., Dehghan, N., Scarfe, L. et al. Compact and programmable large-scale optical processor in free space. Light Sci Appl 15, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02236-2

Ключевые слова: свободно-пространственная фотоника, квантовые блуждания, пространственные световые модуляторы, топологическая фотоника, квантовая симуляция