Исследователи Инженерной школы USC Viterbi разработали оптическое устройство, в котором фотонный поток самостоятельно формирует траекторию от входа к заданному выходу без применения механических переключателей, электронных схем или алгоритмического управления. Это достигается за счёт инженерного проектирования нелинейной многомодовой оптической структуры, в которой свет проходит через два физических этапа: расширение и достижение теплового равновесия.

На первом этапе — аналоге расширения Джоуля-Томсона в газах — световой импульс распределяется по множеству мод и путей в сложной геометрии, подобно тому, как газ расширяется в вакуум. На втором этапе — аналоге термодинамического равновесия — взаимодействия между модами приводят к стабилизации потока: энергия перераспределяется таким образом, что система естественным образом сходится к одному предсказуемому выходному каналу, независимо от начальной точки входа.

Устройство не требует активного управления, обратной связи или внешних датчиков. Его поведение определяется исключительно геометрией структуры, нелинейными свойствами материала и законами термодинамики. Это позволяет достичь маршрутизации фотонов с высокой надёжностью и минимальными потерями, без задержек, характерных для электронных коммутаторов.

Принцип работы аналогичен механической системе — «лабиринту с мрамором»: если шарик бросить в любую точку сложного лабиринта с определённым профилем поверхностей и наклонов, он всегда окажется в одной и той же выходной точке, даже если путь будет различаться. В устройстве свет ведёт себя аналогично — его траектория зависит не от управления, а от структуры среды.

Такой подход меняет парадигму управления светом: вместо попыток контролировать каждый фотон, инженеры проектируют среду так, чтобы она сама направляла свет к нужному результату. Это позволяет устранить сложность, энергопотребление и задержки, связанные с традиционными оптическими переключателями, матрицами и электронными контроллерами.

Потенциальное применение включает оптические коммутаторы для телекоммуникаций, системы обработки сигналов, интерфейсы между оптическими и цифровыми системами, а также устройства для квантовой информации, где требуется высокая стабильность и низкая диссипация. Поскольку устройство не требует внешнего управления, оно может работать в условиях жёстких ограничений — например, в космических аппаратах, на борту спутников или в условиях сильных электромагнитных помех.

Разработка не устраняет необходимость в источниках света, детекторах или системах обработки сигналов — она заменяет только сложные элементы маршрутизации. Это открывает путь к созданию более компактных, энергоэффективных и отказоустойчивых оптических систем, способных работать в условиях, где традиционные электронные или механические решения неэффективны.

Технология пока находится на стадии лабораторного прототипа, но демонстрирует, что хаотичное поведение света в многомодовых системах может быть не препятствием, а ресурсом — если правильно спроектирована структура среды.