Технология, созданная для управления миллионами кубитов в квантовых компьютерах, неожиданно превратилась в прорыв в области визуализации. Исследовательская группа в рамках проекта MITRE Quantum Moonshot разработала фотонный чип площадью всего около одного квадратного миллиметра, способный проецировать сложные изображения и видео на микроскопическую поверхность — меньше, чем две человеческие яйцеклетки.
Изначальная задача была сугубо инженерной: как масштабируемо управлять огромным числом кубитов. В большинстве архитектур квантовых компьютеров для контроля квантовых состояний требуются лазеры, и при переходе к миллионам кубитов возникает фундаментальная проблема — необходимость управлять столь же большим числом световых лучей.
Решение оказалось нетривиальным. Вместо схемы «один лазер — один кубит» исследователи предложили динамически сканировать лазерные лучи по пространству с помощью массива микроэлектромеханических систем. Итогом стал чип, генерирующий до 68,6 миллиона сканируемых световых точек в секунду — более чем в 50 раз превышая возможности традиционных MEMS-зеркал.
В основе устройства — массив микроконсолей, работающих как миниатюрные оптические «трамплины». Каждая из них оснащена волноводом и пьезоэлектрическим слоем из нитрида алюминия. При подаче напряжения структура деформируется, изменяя направление излучаемого света. Это позволяет точно и быстро сканировать лазерный луч по двумерной поверхности.
Ключевой особенностью стало использование внутренних механических напряжений материалов. После удаления подложки микроконсоли самостоятельно изгибаются примерно на 90 градусов, формируя рабочую геометрию без сложной механической сборки. Дополнительные элементы из диоксида кремния стабилизируют форму и предотвращают нежелательные деформации.
Однако главным вызовом оказалась не сама микроинженерия, а синхронизация. Для формирования корректного изображения необходимо точно согласовать движение консолей и модуляцию света. Команда смогла добиться этого и продемонстрировала проекцию видео, включая сцены из A Charlie Brown Christmas.
Полученная технология уже рассматривается как универсальная платформа. В квантовых вычислениях она позволяет резко сократить число необходимых лазеров, управляя множеством кубитов поочерёдно, а не одновременно. Это критически важно для масштабирования систем до миллионов квантовых элементов.
Помимо квантовых вычислений, открываются и другие направления применения:
— дополненная и микродисплейная оптика, где требуется сверхкомпактная проекция
— биомедицинская визуализация и «лаборатории на чипе» с лазерным сканированием клеток
— высокоскоростное сканирование для 3D-печати, потенциально сокращающее процессы с часов до минут
Особый интерес вызывает возможность изменения геометрии микроконсолей. Эксперименты со спиральными структурами показывают, что такие элементы могут использоваться для трёхмерного сканирования и локального воздействия на биологические образцы.
Таким образом, разработка, изначально ориентированная на квантовые вычисления, демонстрирует типичный для глубокой инженерии эффект «технологического переноса». Фотонный чип с управляемыми микроструктурами может стать основой сразу для нескольких отраслей — от медицины до новых интерфейсов визуализации — формируя новый класс сверхминиатюрных оптических систем.
Источник: https://spectrum.ieee.org/mems-photonics
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/