С новой разработкой источники одиночных фотонов — важный элемент будущих квантовых технологий — станут проще и надежнее.
Физики сосредоточились на «квантовых точках» — это миниатюрные полупроводниковые структуры, способные испускать одиночные фотоны по запросу. Такие источники фотонов считаются одними из самых перспективных для фотонных квантовых компьютеров и систем защищенной связи. Однако у квантовых точек существует серьезная проблема: каждая из них уникальна и испускает фотоны определенного, отличающегося от других «оттенка». Это делает невозможным одновременное использование нескольких точек для создания сложных многоквантовых состояний. Обычно физики обходят это ограничение, применяя одну квантовую точку, но «размножая» ее излучение с помощью высокоскоростных электрооптических модуляторов. Такие устройства стоят дорого, требуют тщательной инженерной настройки и снижают эффективность системы.
Международная команда физиков под руководством Викаса Ремеша из Инсбрукского университета предложила элегантное решение, позволяющее обойтись без использования таких электронных компонентов. Ученые применили чисто оптический метод — стимулированное двухфотонное возбуждение. С его помощью им удалось получать потоки фотонов с различной поляризацией прямо из квантовой точки, не прибегая к активным переключателям.
Метод довольно прост: сначала квантовую точку возбуждают точно рассчитанными лазерными импульсами, переводя её в особое состояние — биэкситон. Затем следуют дополнительные импульсы с контролируемой поляризацией, которые «заставляют» систему испустить фотоны с необходимой поляризацией. «Мы продемонстрировали генерацию высококачественных двухфотонных состояний с отличными характеристиками одиночных фотонов», рассказывают авторы работы Юсуф Карли и Икер Авила Арэнас.
Основное преимущество данного подхода заключается в том, что сложность переносится с дорогостоящей и шумной электроники на этап оптического возбуждения. «Это значительный шаг к тому, чтобы источники на основе квантовых точек стали более практичными для реального применения», подчеркивает руководитель работы Викас Ремеш. В будущем команда планирует расширить предложенную методику, чтобы управлять любыми линейными состояниями поляризации, что потребует разработки специально сконструированных квантовых точек.
Разработка имеет перспективы применения в нескольких областях. В первую очередь это квантовая криптография: возможность получать независимые потоки фотонов с различной поляризацией позволит вести параллельную защищенную связь с несколькими пользователями одновременно. Не менее важна и фундаментальная наука — многоквантовые эксперименты по интерференции фотонов, способствующие проверке основ квантовой механики.
Квантовые компьютеры и сети все еще находятся на стадии разработки, и подобные исследования представляют собой важный шаг к практическому внедрению технологий будущего в повседневную жизнь.
Фото: hi-tech.mail.ru