Квантовая технология основана на способности максимально точно управлять поведением квантовых частиц, например, запирая отдельные атомы в магнитных ловушках или отправляя отдельные световые частицы, называемые фотонами, через стеклянные волокна. Последнее является основой квантовой криптографии, метода связи, который, в принципе, защищен от касания: любой потенциальный похититель данных, перехватывающий фотоны, неизбежно разрушает их квантовые свойства. Отправители и получатели сообщения заметят это и могут вовремя остановить скомпрометированную передачу.
Для этого требуются источники света, доставляющие одиночные фотоны.
Такие системы уже существуют, особенно на основе алмазов, но у них есть один недостаток: «Эти алмазные источники могут генерировать фотоны только на частотах, которые не подходят для передачи по оптоволокну», – объясняет физик HZDR доктор. Георгий Астахов. "Что является существенным ограничением для практического использования.«Поэтому Астахов и его команда решили использовать другой материал – проверенный временем электронный базовый материал кремний.
100000 одиночных фотонов в секунду
Чтобы заставить материал генерировать инфракрасные фотоны, необходимые для оптоволоконной связи, эксперты подвергли его специальной обработке, выборочно вводя углерод в кремний с помощью ускорителя в Центре ионных лучей HZDR.
Это создало в материале так называемые G-центры – два соседних атома углерода, соединенные с атомом кремния, образуя своего рода искусственный атом.
При облучении красным лазерным светом этот искусственный атом излучает желаемые инфракрасные фотоны на длине волны 1.3 микрометра, частота идеально подходит для оптоволоконной передачи. «Наш прототип может производить 100 000 одиночных фотонов в секунду», – сообщает Астахов. "И это стабильно. Даже после нескольких дней непрерывной работы мы не наблюдаем никакого ухудшения качества.«Однако система работает только в очень холодных условиях – физики используют жидкий гелий, чтобы охладить ее до температуры минус 268 градусов по Цельсию.
«Нам впервые удалось показать, что однофотонный источник на основе кремния возможен», – сказал коллега Астахова д-р.
Вон Беренсен рад сообщить. «Это в основном позволяет интегрировать такие источники с другими оптическими компонентами на микросхеме.«Среди прочего, было бы интересно соединить новый источник света с резонатором, чтобы решить проблему, заключающуюся в том, что инфракрасные фотоны в основном выходят из источника случайным образом. Однако для использования в квантовой связи необходимо будет генерировать фотоны по запросу.
Источник света на микросхеме
Этот резонатор можно настроить так, чтобы точно соответствовать длине волны источника света, что позволит увеличить количество генерируемых фотонов до такой степени, чтобы они были доступны в любой момент времени. «Уже доказано, что такие резонаторы могут быть построены из кремния», – сообщает Беренсен. "Недостающим звеном был кремниевый источник одиночных фотонов.
И это именно то, что мы теперь смогли создать."
Но прежде чем они смогут рассмотреть практическое применение, исследователи HZDR все еще должны решить некоторые проблемы, такие как более систематическое производство новых телекоммуникационных однофотонных источников. «Мы постараемся с большей точностью внедрить углерод в кремний», – поясняет Георгий Астахов. «HZDR с его Центром ионных лучей обеспечивает идеальную инфраструктуру для реализации подобных идей."