Поодинокі фотони з дослідницької групи кремнійчипів розробили нове джерело для
Генеалогічне дерево Чумацького Шляху
Повністю інтегрований контроль наноалмазів
Трохи ближче до сонця
Відстані від зірок
Що змушує зірки світити
Вулиця з одностороннім рухом для електронів
У новому підрахуванні знайдені сотні примірників "Ньюсона" (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)
Наша Сонячна система сформувалася менш ніж за 200 000 років
Здоровий для Марса
Поодинокі фотони з кремнієвого чіпа: дослідницька група розробляє новий тип джерела для квантових частинок світла
Новини фізики від 15.09.2020 р. Квантова оптика
Квантові технології дуже перспективні: через кілька років квантові комп'ютери налаштовують революцію в пошуку баз даних, системах ШІ та розрахунках моделювання. Навіть сьогодні квантова криптографія може гарантувати абсолютно безпечну передачу даних від прослуховування, хоча і з обмеженнями. Це перевага, якщо нові технології максимально сумісні з попередньою електронікою на основі кремнію. Саме тут фізики з HZDR та TU Dresden досягли значного прогресу: команда розробила джерело світла на основі кремнію, який генерує окремі фотони, які можуть добре поширюватися у скляних волокнах.
Квантова технологія заснована на якомога точнішому контролі поведінки квантових частинок, наприклад, шляхом блокування окремих атомів у магнітних пастках або надсилання окремих частинок світла - так званих фотонів - через скляні волокна. Останнє є основою квантової криптографії, в основному захищеного від помилок типу зв'язку: якщо злодій даних перехоплює фотони, він неминуче руйнує їх квантові властивості. Однак це не залишається прихованим для відправників та одержувачів повідомлення - вони можуть вчасно перервати передачу, яка стала небезпечною.
М. Холленбах, Ю. Беренсен, У. Кенч, М. Гельм, Г. Астахов Ізоляція телекомунікаційних однофотонних випромінювачів у кремнії для масштабованої квантової фотоніки Optics Express, 2020
Для цього потрібні джерела світла, які доставляють окремі фотони. Такі системи вже існують, особливо на основі алмазів. Однак у них є один недолік: "Ці алмазні джерела можуть генерувати лише фотони з частотами, які не підходять для волоконно-оптичної передачі", - пояснює фізик HZDR д-р. Георгій Астахов. „Це є суттєвим обмеженням для практичного використання". Тож Астахов та його команда взяли інший матеріал - випробуваний електронний базовий матеріал кремній.
100 000 одиночних фотонів в секунду
Щоб спонукати матеріал генерувати інфрачервоні фотони, необхідні для волоконно-оптичного зв’язку, експерти піддали його спеціальній обробці: використовуючи прискорювач із центру іонного пучка HZDR, вони цілеспрямовано вистрілювали вуглець у кремній. Це створило у матеріалі так звані G-центри - два сусідні атоми вуглецю, які разом з атомом кремнію утворюють своєрідний штучний атом.
Якщо цей штучний атом опромінюється червоним лазерним світлом, він випромінює необхідні інфрачервоні фотони з довжиною хвилі 1,3 мікрометра - частота, яка надзвичайно підходить для волоконно-оптичної передачі. "Наш прототип може генерувати 100 000 окремих фотонів в секунду", - повідомляє Астахов. "І вона працює стабільно, навіть після декількох днів безперервної роботи ми не помітили жодного погіршення". Однак система працює лише в сильний холод - фізики повинні охолодити її до температури мінус 268 градусів Цельсія за допомогою рідкого гелію.
"Ми змогли вперше показати, що можливе однофотонне джерело на основі кремнію", - каже колега Астахова д-р. Йондер Беренсен. "Це в основному робить можливим інтегрування таких джерел з іншими оптичними компонентами на мікросхемі". Серед іншого, здається, варто поєднати нове джерело світла з так званим резонатором. Це може вирішити наступну проблему: Наразі інфрачервоні фотони здебільшого надходили від джерела випадково. Однак для використання в квантовому зв'язку потрібно було б мати можливість спеціально генерувати фотони на вимогу.
Джерело світла на мікросхемі
Дослідники могли налаштувати цей резонатор так, щоб він потрапляв точно на довжину хвилі джерела світла. Це дозволило б збільшити кількість генерованих фотонів настільки, що вони були б доступні в будь-який час. "Вже було доведено, що такі резонатори можуть бути вбудовані в кремній", - повідомляє Беренсен. “Посилання, яке все ще бракувало, було джерелом кремнію на основі окремих фотонів. І саме це ми змогли реалізувати зараз ".
Але перш ніж можна буде продумати практичне застосування, дослідникам HZDR все ще доведеться вирішити низку проблем - наприклад, більш цілеспрямоване виробництво нових однофотонних джерел телекомунікацій. "Ми хочемо спробувати імплантувати вуглець у кремній точніше, ніж раніше", - пояснює Георгій Астахов. "Завдяки своєму центру іонних пучків HZDR має ідеальну інфраструктуру для втілення таких ідей у реальність".