Как топологическая фотоника учится обходить рассеяние

Современная фотоника давно перестала быть только разделом оптики про линзы, лазеры и волны: сегодня от того, насколько точно мы умеем направлять свет, зависят квантовые технологии, оптические вычисления и сама возможность собирать компактные чипы, в которых информация передается не электронами, а фотонами. Почти сразу в отношении фотоники возникает старая и очень упрямая инженерная проблема: свет рассеивается назад, теряет энергию на изгибах, выходит из волноводов и тем самым ломает точность фотонной архитектуры. Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудники профессор в ИТМО Иван Иорш объясняет, почему для решения этой задачи физикам пришлось обратиться к топологии, что именно означает «топологическая защита» в применении к свету и отчего путь от эффектной лабораторной демонстрации до массового производства фотонных чипов оказывается гораздо длиннее, чем кажется со стороны. — Зачем вообще защищать свет от рассеяния, и почему для фотоники это такая большая проблема? — Очень многие устройства, особенно те, что связаны с квантовой фотоникой и обработкой информации при помощи света, работали бы заметно лучше, если бы свет можно было заставить распространяться только в одну сторону, не давая ему рассеиваться назад. Это важно и для протоколов квантовой связи, и для передачи квантового ключа, и даже для более широкой области классической фотоники, где свет рассматривают уже не как отдельные фотоны, а как классическую электромагнитную волну. Проблема в том, что любое обратное рассеяние сразу вносит в такую систему неопределенность: сигнал частично рассеивается назад, повторно взаимодействует с элементами схемы и тем самым ухудшает точность управления, а для квантовых архитектур это особенно чувствительно. — Но ведь способы оптической изоляции существуют уже давно. Почему нельзя просто пользоваться ими? — Классический способ добиться однонаправленного распространения света связан с магнитооптическими эффектами, то есть с такими системами, где в дело вводится сильное постоянное магнитное поле, и именно за счет него удается получить режим, при котором свет идет в одну сторону, а в обратную уже не распространяется так же свободно. Такие устройства называются оптическими изоляторами, и они были продемонстрированы экспериментально, но в то же время изоляторы сталкиваются с инженерной трудностью: для таких схем нужны магнитные поля порядка теслы, а это уже уровень, сравнимый с тем, что используется, например, в томографах. Представить себе подобный режим внутри компактной интегральной оптической схемы, которая однажды должна оказаться не в большой лабораторной установке, а буквально на чипе, встроенном в устройство, довольно трудно, поэтому и возникает естественное желание найти способ обеспечить ту же однонаправленность без опоры на сильные магнитные поля. — Как нам может помочь топологическая фотоника? — Топологическая фотоника выросла из идей, которые последние десятилетия очень активно развивались в физике конденсированного состояния, где стало ясно, что кристаллы можно классифицировать не только по симметрии их решетки, как это обычно делают в университетском курсе, но и по топологическим свойствам. Топология изучает более глобальные характеристики формы, поэтому физики так любят пример с кружкой и бубликом: в геометрическом смысле это разные вещи, а в топологическом — объекты одного класса, потому что у них по одной «дырке». Смысл этой метафоры в том, что некоторые свойства нельзя убрать плавным изменением формы: из сферы можно сделать много чего, не нарушая непрерывности, а вот из бублика сферу уже не получишь, пока каким-то образом не избавишься от самой топологической особенности, то есть от отверстия. В физике кристаллов похожая логика работает в пространстве волновых векторов, или, если говорить чуть менее строго, в пространстве возможных импульсов электронов в системе импульсных состояний системы, и именно там оказывается, что разные структуры могут принадлежать разным топологическим классам. У системы есть определенная внутренняя организация состояний, и эта организация может вести себя так, как ведут себя топологические объекты: она сохраняет некоторые свойства даже тогда, когда локально вы систему немного искажаете, пока вы не разрушили более глубокий структурный признак. Для фотоники это оказалось чрезвычайно плодотворной идеей, потому что электромагнитные волны, как и электронные состояния в кристаллах, тоже можно описывать в терминах зонной структуры и разрешенных режимов распространения, а значит, некоторые идеи топологической физики можно перенести из электронной среды в оптическую. — Чем важно соответствие между объемом и границей в топологии? — Соответствие между объемом и границей означает, что топологические свойства системы в объеме однозначно проявляются на ее границе: если у материала или искусственной структуры есть нетривиальная топология, то вдоль края возникают локализованные на этом краю состояния, и электронный или оптический сигнал распространяется вдоль границы в одном направлении. В электронных системах этот эффект тесно связан с квантовым эффектом Холла, где краевые состояния стали одним из наиболее наглядных способов описания наблюдаемого поведения системы, а в топологической фотонике аналогичный принцип используется уже для света. Иными словами, если у вас правильно устроен объем, то сама граница начинает работать как выделенный канал распространения волны, и именно это делает топологические структуры такими привлекательными для фотонных приложений. — Когда говорят о топологической защите, создается впечатление, будто свет вообще перестает рассеиваться. Это действительно так? — Топологическая защита не означает чудесного исчезновения всех потерь, а означает, что по сравнению с обычным волноводом система оказывается заметно более устойчивой к определенным видам дефектов, неоднородностей и беспорядка, так что обратное рассеяние подавляется, но не исчезает полностью. В идеальной теоретической модели можно получить очень красивую картину, где краевые моды двигаются строго определенным образом и почти не чувствуют препятствий, но реальный фотонный кристалл — это не кристалл из одинаковых атомов, а технологически изготовленная структура, где отверстия, бороздки или иные элементы никогда не оказываются абсолютно идентичными. Именно эти микроскопические различия, неизбежные на стадии производства, создают дополнительные каналы рассеяния, которые уже не всегда удается подавить одной только топологией, поэтому правильнее говорить о повышенной робастности, то есть устойчивости к несовершенствам. — Как это выглядит в реальной оптической структуре? — В самом грубом приближении фотонный кристалл можно представить как материал, например кремний или стекло, в котором специальным образом сформирована периодическая структура, часто — система отверстий с определенной симметрией. Если эта структура устроена так, что ее оптические свойства оказываются топологически нетривиальными, то вдоль границы между двумя областями могут возникнуть моды, по которым свет распространяется не так, как в обычном волноводе, а в соответствии с теми ограничениями, которые задает внутренняя топологическая организация системы. В некоторых режимах это может означать почти однонаправленное распространение, в других — наличие двух противоположных каналов с разными свойствами, например с разной поляризацией, так что свет, идущий вправо, и свет, идущий влево, уже не являются просто зеркальной копией друг друга. — И где такие эффекты действительно могут быть полезны? — Один из самых понятных примеров связан с квантовой обработкой информации при помощи света, когда у вас есть волновод, вдоль которого летит оптический сигнал, а внутри этой линии размещены квантовые источники — это могут быть атомы, квантовые точки или другие двухуровневые системы, взаимодействующие со светом. Каждый такой источник не просто пассивно стоит на пути фотона, а меняет его свойства и сам меняет свое состояние в ответ на взаимодействие, так что в итоге вы получаете архитектуру, где свет может управлять квантовыми степенями свободы системы, а сама квантовая информация — кодироваться в оптическом сигнале на выходе. Но вся эта схема оказывается гораздо менее надежной, если фотон начинает метаться между источниками вперед и назад, поскольку тогда взаимодействие становится недетерминированным, а точность записи и считывания резко падает. Поэтому идеальный сценарий для такой архитектуры состоит в том, чтобы свет двигался только вперед — от первого источника ко второму, от второго к третьему и так далее, — и именно здесь топологический волновод выглядит очень привлекательным решением. — То есть топологическая фотоника дает шанс построить такую шину, где свет идет только вперед? — По крайней мере, приблизиться к этому режиму она действительно позволяет. Если волновод устроен так, что свет определенной поляризации распространяется вдоль него преимущественно в одном направлении, а сами квантовые источники эффективно взаимодействуют именно с этой поляризацией, то вы получаете систему, в которой обратное рассеяние оказывается сильно подавленным, и это делает всю архитектуру значительно более предсказуемой. Для квантовых технологий такая предсказуемость важнее, чем может показаться человеку, привыкшему к обычной электронике, потому что в квантовых системах нежелательная обратная связь — это не просто «небольшой шум», а прямой источник потери когерентности и управляемости. — Существует ли более «земное» применение — например, компактные оптические чипы? — Да, и это, возможно, даже более интуитивный пример, потому что он связан не с экзотическими квантовыми состояниями, а с простой инженерной задачей: как заставить свет проходить по маленькой схеме, не теряя сигнал на каждом повороте. Обычный волновод плохо переносит сильную кривизну, потому что на резких изгибах свет начинает покидать направляющую структуру, и чем меньше радиус поворота, тем выше потери. Я могу сравнить это с автомобилем, входящим в слишком крутой поворот, из которого его просто выносит наружу. Миниатюризация фотонных схем требует прямо противоположного: мы хотим, чтобы элементы становились все компактнее, а значит, линии передачи света — короче, плотнее и с более резкими углами. Топологические волноводы как раз интересны тем, что позволяют вести свет по траекториям с очень резкими поворотами, иногда почти прямоугольными, сохраняя при этом меньшие потери, чем в обычной геометрии, и именно поэтому топологическая фотоника рассматривается как один из путей к компактным интегрированным оптическим схемам. Компромисс в том, что за улучшенное поведение света приходится платить более сложной структурой самой системы. Если обычный волновод — это сравнительно простая направляющая линия, то топологический канал возникает как граница между двумя специальным образом организованными фотонными структурами, и значит, вокруг него необходимо создать всю ту кристаллическую среду, которая и обеспечивает нужный режим распространения. Поэтому в реальной инженерии вопрос всегда звучит не как «можно ли сделать лучше», а как «стоит ли выигрыш в подавлении рассеяния и уменьшении потерь той технологической сложности, которую приходится вводить в схему». — Можно ли сказать, что следующий шаг связан уже с новыми квантовыми материалами и двумерными структурами? — В каком-то смысле этот шаг уже происходит, хотя правильнее говорить о параллельном развитии нескольких направлений. Фотоника вообще выросла во многом благодаря полупроводниковым материалам: полупроводниковые лазеры, интегрированные источники света, оптические элементы на чипе давно стали частью технологического пейзажа, так что соединение оптики и материаловедения здесь изначально было не побочной линией, а центральным сюжетом. Двумерные материалы интересны тем, что при толщине буквально в один-два атома они могут очень сильно взаимодействовать со светом, и это противоречит интуиции неспециалиста, которому кажется, что объект, во много раз тоньше длины волны, должен быть для нее почти невидим. Между тем в отдельных экспериментах монослойные полупроводники на экситонном резонансе действительно демонстрировали отражение света на уровне десятков процентов, а в специально подготовленных структурах вплоть до 85%, что хорошо иллюстрирует саму контринтуитивность этих систем. — Почему это так важно именно для фотоники, а не только для физики материалов? — Потому что фотоника постоянно ищет способы усилить взаимодействие света с веществом, а двумерные материалы дают шанс сделать это в чрезвычайно компактной геометрии. Если объединить их с более традиционными фотонными платформами — фотонными кристаллами, резонаторами, волноводами, — то можно получить усиленный нелинейный отклик, а именно он нужен там, где хотят строить более сложные оптические элементы, в том числе логические и квантовые. Кроме того, многие такие системы работают при комнатной температуре, а это резко повышает их привлекательность для будущих устройств, потому что переводит разговор из области лабораторной экзотики в область потенциальной инженерии. — Звучит почти как готовая индустрия. Что же тогда мешает? — Мешает привычная для высоких технологий пропасть между тем, что можно собрать руками талантливого аспиранта в лаборатории, и тем, что фабрика способна воспроизводить миллион раз в год без потери качества. Сделать единичную систему, где на фотонную платформу аккуратно положен двумерный материал, где к нему подведены контакты и где все это работает в эксперименте, сегодня уже возможно, но превратить такой трюк в стандартный технологический процесс долгое время не удавалось. Для индустрии вопрос масштабирования всегда важнее самой красоты эффекта: пока нет надежной технологии массового производства, говорить о серьезном промышленном внедрении преждевременно, каким бы впечатляющим ни был сам физический результат. — И все же вы говорите, что ситуация начинает меняться. Почему? — Потому что появились первые признаки того, что отдельные страны и компании начинают переходить от разговоров о перспективности к попыткам реально встроить двумерные полупроводники в производство фотонных чипов. Можно упомянуть, в частности, сообщения о запуске масштабного производства фотонных чипов с интегрированными двумерными полупроводниками в Китае, и даже если это пока только начало пути, сам сдвиг здесь принципиален: область перестает быть исключительно академической. С научной точки зрения это направление уже десять-пятнадцать лет развивается очень активно, но технологическим по-настоящему оно станет только в тот момент, когда физически интересный эффект совпадет с воспроизводимой фабричной процедурой, а это в истории фотоники, как и в истории любой сложной техники, обычно и есть самый трудный рубеж. — Что сегодня важнее всего понимать о топологической фотонике? — Наверное, то, что перед нами не очередная эффектная метафора из модной физики, а попытка решить очень конкретную инженерную задачу при помощи довольно глубоких идей о том, как устроены волновые состояния в сложных системах. Свету мешают рассеяние назад, потери на изгибах, чувствительность к дефектам и слишком большая зависимость от геометрических ограничений обычных волноводов, а топологическая фотоника предлагает способ ослабить эти проблемы не магией, а правильно организованной структурой среды. Она не отменяет технологические компромиссы, не уничтожает все потери и не заменяет разом всю классическую фотонику, но показывает, что свойства, которые еще недавно казались почти недостижимыми для интегральной оптики, можно получать за счет более умного устройства самой фотонной системы. И если эта логика действительно соединится с развитием новых материалов и масштабируемого производства, то следующий шаг фотонных технологий будет связан уже не только с тем, как излучать свет, но и с тем, как заставить его двигаться по чипу почти так же дисциплинированно, как сегодня движется электрический сигнал в хорошо спроектированной электронной схеме.