Потери фотонов в оптических интерферометрах накапливаются по мере роста сложности вычислений и ограничивают масштабирование фотонных процессоров. Чем больше фазовых сдвигов требуется для реализации передаточных матриц, тем длиннее фазовращатели и тем выше потери. Это препятствует практическому применению оптических вычислений в задачах линейной алгебры, машинного обучения и квантовой информации. Учёные МГУ и Сбербанка предложили метод, который позволяет обойти это ограничение, укоротив внутренние элементы прибора.
Как сообщили в МГУ, в современных оптических вычислениях главную роль играют многоканальные интерферометры — устройства, управляющие световыми сигналами. Внутри таких приборов свет проходит через сложную геометрию волноводов, светоделителей и фазовращателей. Математически работу интерферометра можно описать как умножение вектора входных сигналов на определённую матрицу передачи, управление которой происходит с помощью программируемых фазовых сдвигов.
Почему масштабирование упирается в потери
Обычно фазу изменяют в диапазоне от 0 до 2π. Именно здесь кроется главная проблема: чем сильнее нужно изменить фазу, тем длиннее должен быть фазовращатель, и тем больше света в нём теряется в процессе работы. «В оптических интерферометрах размер имеет значение — чем больше оптический путь в волноводе, тем больше потери. Поэтому уменьшение размера элементов без потери функциональности, как предложено в этой работе, крайне важно на практике», — передаёт пресс-служба слова старшего научного сотрудника физфака МГУ, научного руководителя Центра квантовых технологий Сбербанка Станислава Страупе.
При реализации широкого класса передаточных матриц потеря фотонов в интерферометре накапливается и ограничивает масштабирование. Это означает, что чем сложнее вычисление, тем выше потери и тем меньше фотонов доходит до выхода. В результате оптические процессоры не могут конкурировать с электронными в задачах, где требуется высокая точность и большие объёмы вычислений.
Что предложили учёные
Первый автор исследования, аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Сурен Флджян пояснил: «Наша идея состояла в том, чтобы найти способ укоротить фазовращатели, сохранив при этом возможность реализовать необходимые преобразования. Вычисления в интерферометре описываются матрицей, которая является функцией от параметров фазовых сдвигов. Мы опирались на свойства этой функции, которые проявляются при её разложении в ряд по малому отклонению параметров, то есть пертурбативное разложение».
Команда применила численные и аналитические методы. Учёные доказали, что в рамках предложенного пертурбативного подхода можно реализовать большинство необходимых преобразований. Для вычислений достаточно меньших фазовых сдвигов. На практике это означает, что можно существенно уменьшить длину фазовращателей и тем самым снизить оптические потери в вычислительном устройстве.
Что это даёт
Полученный результат критически важен для программируемых фотонных процессоров, применяемых в задачах линейной алгебры, машинного обучения и квантовой информации. Новый метод позволит сделать оптические вычисления более стабильными и энергоэффективными, а также открывает путь к созданию более сложных оптических вычислителей.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию теоретической физики и математики «БАЗИС» и стипендии Президента Российской Федерации для аспирантов и адъюнктов. Результаты опубликованы в журнале Q1 Physical Review A.
Коротко: главное
-
Что ограничивает масштабирование? — Потери фотонов в интерферометрах.
-
Почему растут потери? — Чем больше фазовый сдвиг, тем длиннее фазовращатель.
-
Что предложили? — Метод пертурбативного разложения для укорочения элементов.
-
Что доказали? — Большинство преобразований можно реализовать при меньших сдвигах.
-
Где применяется? — В фотонных процессорах для линейной алгебры и машинного обучения.
Резюме
Потери фотонов в оптических интерферометрах накапливаются с ростом сложности вычислений.
Это ограничивает масштабирование фотонных процессоров и их практическое применение.
Учёные МГУ и Сбербанка предложили метод, позволяющий укоротить фазовращатели без потери функциональности.
Метод основан на пертурбативном разложении матрицы передачи.
Результат важен для задач линейной алгебры, машинного обучения и квантовой информации.
Материал подготовлен изданием «Техносуверен» (technosuveren.ru).
Дата публикации: 15 октября 2026 года.
