Однофотонные источники – это устройства, генерирующие свет в виде отдельных фотонов. В отличие от лазеров и источников теплового излучения, таких как лампы накаливания, однофотонные источники вообще не создают когерентный свет. Принцип неопределенности Гейзенберга препятствует образованию такого состояния с точно определенным количеством фотонов одной частоты. Однако можно изучать состояния Фока (числовые состояния), где амплитуда электрического поля сосредоточена в узкой полосе частот. В этом случае однофотонный источник приближается к созданию эффективного однофотонного числового состояния. Фотон – это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного поля. Фотоны не обладают массой и всегда движутся со скоростью света в вакууме. Они относятся к классу бозонов. Фотоны из идеального однофотонного источника обладают квантовомеханическими характеристиками.
Эти характеристики включают в себя сгруппирование фотонов, так что время между двумя последовательными фотонами никогда не бывает меньше некоторого минимального значения. Такое поведение обычно демонстрируется при использовании светоделителя, который направляет около половины падающих фотонов на один лавинный фотодиод, а половину – на второй. Импульсы от одного детектора используются для подачи сигнала “запуска счетчика” на быстрый электронный таймер, а другой, с задержкой на известное количество наносекунд, используется для подачи сигнала “остановки счетчика”. Путем многократного измерения времени между сигналами ‘старт’ и ‘стоп’ можно сформировать гистограмму временной задержки между двумя фотонами и подсчета совпадений – если группирования не происходит, и фотоны действительно хорошо разнесены, видна четкая отметка вокруг нулевой задержки.
История
Хотя концепция одиночного фотона была предложена Планком еще в 1900 году, настоящий однофотонный источник был создан изолированно только в 1974 году. Это было достигнуто путем использования каскадного перехода внутри атомов ртути. Отдельные атомы излучают два фотона на разных частотах при каскадном переходе, и при спектральной фильтрации света наблюдение одного фотона может быть использовано для “предвещания” другого. Наблюдение этих одиночных фотонов характеризовалось их антикорреляцией на двух выходных портах светоделителя аналогично знаменитому эксперименту Хэнбери Брауна и Твисса 1956 года.
В 21 веке появились дефектные центры в различных твердотельных материалах, в первую очередь в алмазе, карбиде кремния и нитриде бора. Наиболее изученным дефектом являются центры азотных вакансий (NV) в алмазе, которые использовались в качестве источника одиночных фотонов. Эти источники наряду с молекулами могут использовать сильное ограничение света (зеркала, микрорезонаторы, оптические волокна, волноводы и т.д.) для усиления излучения NV-центров. А также NV-центры и молекулы, квантовые точки (КТ), функционализированные углеродные нанотрубки, и двумерные материалы может также испускать одиночные фотоны и можетизготавливается из тех же полупроводниковых материалов, что и светоограничивающие структуры. Отмечается, что однофотонные источники на телекоммуникационной длине волны 1550 нм очень важны в волоконно-оптической связи, и в основном это КТ из арсенида индия. Однако, создавая квантовый интерфейс с понижающим преобразованием из видимых однофотонных источников, все еще можно создать одиночный фотон при длине волны 1550 нм с сохранением антибанкинга.
Возбуждение атомов и экситонов до сильно взаимодействующих уровней Ридберга предотвращает более одного возбуждения по так называемому объему блокады. Следовательно, ридберговское возбуждение в небольших атомных ансамблях или кристаллах может действовать как излучатели одиночных фотонов.
Типы источников
Излучатель одиночных фотонов
Это абсолютный предел миниатюризации излучателей света. Фотонный источник, в котором под действием управляющего сигнала (и только под действием этого сигнала) излучается только один фотон. Излучение ИОФ характеризуется неклассической суб-пуассоновской статистикой, а идеальный излучатель одиночных фотонов генерирует световой поток с нулевым шумом. ИОФ может быть реализован только на основе изолированной квантовой системы: одиночного атома, молекулы, искусственного атома. Создание эффективных ИОФ представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему, включающую в себя решение трёх задач: локализации, изоляции квантовой системы; эффективной накачки изолированной квантовой системы; сбора излучения.
Однофотонные излучатели испускают одну частицу света (фотон) за раз и этим отличаются от лазеров, которые выпускают сразу целый поток. Такие устройства имеют решающее значение для квантовой криптографии, призванной защищать конфиденциальные данные с помощью так называемого эффекта наблюдателя: подслушивание спутывает передаваемую информацию, и злоумышленник не может воспользоваться ей. Это объясняется тем, что в квантовом мире наблюдение за системой всегда вызывает ее изменение.
Излучатель представляет собой один нанопровод из нитрида галлия с очень маленькой областью из нитрида индия-галлия, которая функционирует как квантовая точка – наноструктура, генерирующая бит информации. В двоичном коде традиционных компьютеров бит – это 0 или 1. Квантовый бит может принимать либо одно из этих значений, либо оба сразу.
Полупроводниковые материалы, из которых выполнен излучатель, широко применяются в светодиодах и солнечных ячейках. Исследователи вырастили нанопровода на кремниевой пластине, что позволяет осуществлять производство излучателей в крупных масштабах, поскольку кремний – основа современной электроники, и подходящая инфраструктура уже существует. Устройство работает за счет электричества, а не света – это еще один аспект, который делает его более практичным. А все фотоны, которые оно испускает, обладают одним уровнем линейной поляризации, тогда как другие однофотонные излучатели выдают частицы света со случайной поляризацией. Новинка работает при низких температурах, но исследователи уже трудятся над тем, чтобы приблизить уровень температуры к комнатному.
Излучатели одиночных фотонов могут найти применение в системах квантовой криптографии и квантовых вычислений. Они также необходимы для прецизионной спектроскопии и создания эталонов оптической мощности. К настоящему моменту однофотонное излучение (с оптической лазерной накачкой) продемонстрировано на целом ряде объектов: одиночных атомах и ионах, одиночных молекулах, центрах окраски и одиночных полупроводниковых квантовых точках. Достоинством полупроводниковых квантовых точек является возможность создания излучателя одиночных фотонов с токовой накачкой в виде сверхминиатюрного светодиода, т.е. полностью твердотельного компактного излучателя.
Генерация одного фотона происходит, когда источник создает только один фотон в течение своего времени жизни флуоресценции после того, как он с оптическим или электрическим возбуждением. Идеальный однофотонный источник еще не создан. Учитывая, что основными приложениями для высококачественного однофотонного источника являются квантовое распределение ключей, квантовые повторители и квантовая информатика, генерируемые фотоны также должны иметь длину волны, обеспечивающую низкую потери и затухание при прохождении через оптическое волокно.
В настоящее время наиболее распространенными источниками одиночных фотонов являются одиночные молекулы, ридберговские атомы, центры окраски алмаза и квантовые точки, причем последние широко изучаются благодаря усилиям многих исследовательских групп по созданию квантовых точек, которые флуоресцируют одиночные фотоны при комнатной температуре с фотонами в низкой окно потерь оптоволоконной связи. Для многих целей одиночные фотоны должны быть антигруппированы, и это можно проверить.
Слабый лазер
Один из первых и самых простых источников был создан путем ослабления луча обычного лазера для уменьшения его интенсивности и, следовательно, среднего фотона количество на импульс. Поскольку статистика фотонов соответствует распределению Пуассона, можно получить источники с четко определенным отношением вероятностей для излучения одного фотона по сравнению с двумя или более. Например, среднее значение μ = 0,1 приводит к вероятности 90% для нулевых фотонов, 9% для одного фотона и 1% для более чем одного фотона.
Хотя такой источник может использоваться для определенных приложений, он имеет корреляционную функцию интенсивности второго порядка, равную единице (нет антигруппировки). Однако для многих приложений антигруппировка требуется, например, в квантовой криптографии.
Две независимые группы исследователей объявили о существенном прогрессе в создания квантовых сетей: им удалось создать источники одиночных фотонов, свойства которых «идеально» подходят для передачи данных. «Хайтек» рассказывает, что такое квантовые сети, какие материалы инженеры предлагают использовать и в чем их преимущества.
Эффекты квантовой механики, в том числе запутанность двух частиц (явление, при котором отдельные состояния двух распределенных атомов или частиц находятся во взаимозависимом состоянии), открывают множество технологических возможностей. Одна из них — создание квантовых сетей связи (и даже квантового интернета), обеспечивающих защиту передаваемых данных от утечек и компрометации и обмен информации между квантовыми системами. Такую квантовую сеть можно реализовать, запутав отдельные носители квантовой информации, кубиты, друг с другом с помощью света.
Две независимые группы исследователей объявили о создании источников одиночных фотонов, которые необходимы для передачи данных в квантовой сети. Немецкие исследователи из Института квантовой оптики Общества Макса Планка и Мюнхенского технического университета использовали атомы эрбия, встроенные в кремниевый кристалл, которые дают свет с частотой, соответствующей современным сетям связи.
А инженеры из Массачусетского технологического института используют нанокристаллы перовскитов, производство которых легко масштабировать. При этом они не требуют экстремального охлаждения и могут работать при комнатной температуре.
Что такое квантовая сеть?
Квантовые компьютеры теоретически могут выполнять задачи, не поддающихся решению даже на самых мощных в мире суперкомпьютерах. Их можно использовать для моделирования свойств материалов и сложных систем. Но, чтобы достичь по-настоящему значимых результатов, нужен эффективный способ соединения узлов квантовой информации — распределенных квантовых процессоров.
Поскольку квантовые компьютеры коренным образом отличаются от классических, обычные методы, используемые для передачи информации, не применимы к ним напрямую. Квантовая информация более сложна: вместо того, чтобы хранить только значение 0 или 1, как в классических компьютерах, кубит может одновременно принимать значения 0 и 1 (явление, известное как суперпозиция).
Идеальным решением является квантовая сеть — соединение, в котором осуществляется прямой обмен кубитами информации с сохранением квантовомеханических свойств. Квантовая сеть связывает узлы обработки с помощью фотонов, которые проходят через специальные межсоединения, известные как волноводы.
Преимущество такого соединения состоит в том, что квантовые устройства связываются напрямую, обеспечивая более быструю обработку данных. Кроме того, такие сети можно использовать для безопасной передачи данных: как только злоумышленник попытается перехватить информацию, «закодированную» в фотонах, квантовые свойства частиц будут потеряны, а данные станут непригодными для использования.
Атомы эрбия в кремниевом кристалле
Квантовый резонатор на основе кристалла кремния. Изображение: MCQST
Немецкие инженеры разработали оптический резонатор для квантовых сетей на основе кристалла кремния, легированного атомами эрбия. Разработка следует за предыдущим исследованием той же группы по внедрению отдельных атомов редкоземельного элемента в кристаллический кремний с использованием относительно низкой температуры (около 500 °C), чтобы гарантировать, что большое количество атомов эрбия не сгруппируется вместе в решетке кремния.
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Optica, исследователи показали, что с помощью таких кристаллов можно генерировать одиночные фотоны с заданными свойствами. Атомы эрбия, помещенные в кремниевый кристалл, обладают превосходными оптическими свойствами, отмечают авторы исследования. Они излучают свет с длиной волны 1536 нм. Это практически идентично свету, который используется для передачи данных в классических оптоволоконных сетях.
Инженеры разработали резонатор, легированный эрбием, который отличается от обычных конструкций тем, что в нем нет зеркал. Вместо этого используется регулярная структура отверстий нанометрового размера в кристаллическом кремнии. Это означает, что весь резонатор имеет длину всего несколько микрон и содержит всего несколько десятков атомов эрбия. При соединении резонатора с оптоволокном и возбуждения атомов с помощью лазера исследователи продемонстрировали возможность излучения отдельных фотонов с желаемыми характеристиками.
Исследователи отмечают два основных преимущества, которые, по их словам, делают легированный эрбием кремний «идеальным кандидатом для построения квантовых сетей». Во-первых, он основан на классическом материале, который широко используется в полупроводниковом производстве, а значит масштабное создание нужных компонентов не потребует создания новых сложных производств.
А во-вторых, система работает при относительно высокой (для квантовых технологий) температуре — около 8 К (-265 °С). В отличие от систем, работающих около абсолютного нуля, такие условия проще создать с помощью охлаждения в криостате с жидким гелием.
Перовскиты в качестве источников одиночных фотонов
Нанокристаллы перовскитов. Изображение: MIT
Исследователи из MIT предлагают альтернативный материал для создания квантовых сетей — перовскиты. Этот материал уже широко зарекомендовал себя в качестве потенциальной альтернативы кремнию в фотоэлементах. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, инженеры показали, что они также могут генерировать поток идентичных фотонов.
Для своего исследования физики использовали наночастицы свинцово-галитного перовскита. Для фотоэлементов используются тонкие пленки из этого материала, а в форме наночастиц они отличаются невероятно высокой скоростью криогенного излучения, что отличает их от других коллоидных полупроводниковых наночастиц. Чем быстрее излучается свет, тем больше вероятность того, что выходной сигнал будет иметь четко определенную волновую функцию, которая необходима для квантовых сетей.
Чтобы проверить, что фотоны, которые они генерируют, действительно обладают нужными свойствами, исследователи провели стандартный тест. Он заключается в обнаружении особого вида интерференции между двумя фотонами, эффект Хонга — У — Мандела. Результаты эксперимента подтвердили, что источник излучает квантовый свет.
Исследователи отмечают, что пока установка не совершенна и работает с помехами, но они уверены, что их можно будет преодолеть, поместив перовскиты в оптический резонатор — эффект, который работает с другими материалами.
Одновременно исследователи отмечают преимущество технологии в простоте производства. «Причина, по которой другие источники когерентны, заключается в том, что они сделаны из самых чистых материалов и один за другим, атом за атомом. Таким образом, у нас очень плохая масштабируемость и очень плохая воспроизводимость», — говорит Александр Каплан, соавтор исследования. Напротив, наночастицы перовскита сделаны в растворе и просто нанесены на материал подложки. Кроме того, такие источники работают при комнатной температуре и не требуют охлаждения.
Обе предложенных технологии пока не являются готовым решением для построения квантовых сетей. Но это шаг в нужном направлении. Тот факт, что разные группы исследователей по всему миру разрабатывают альтернативные технологии и пытаются найти решение, которое будет относительно дешево и просто масштабировать, говорит, что вскоре квантовые сети могут стать реальностью.
Высокоэффективный источник одиночных фотонов для масштабирования оптических вычислений
Иллюстрация: Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters. Физики создали интегральный источник одиночных фотонов, яркость которого в десять раз выше, чем у лучших предшественников. При маленьких мощностях накачки разработанный источник способен генерировать пары фотонов с мегагерцовыми частотами. Это может пригодиться для масштабирования оптических вычислений, где необходимо объединить все оптические элементы на чипе, по аналогии с электрическими схемами Работа принята для публикации в Physical Review Letters. Фотонные квантовые вычислители уже превзошли классические в задаче бозонного сэмплинга на 100 кубитах. Следующий закономерный шаг в развитии оптических технологий — увеличение числа кубитов, уменьшение и упрощение оптической схемы для решения сложных прикладных задач. Оптическая установка для квантовых вычислений состоит из источника одиночных фотонов, основной части, которая изменяет состояния фотонов, и детекторов. Вид основной части зависит от кодировки кубитов: например, если вся информация содержится в поляризации фотонов, то их состояния можно менять с помощью поляризационных пластинок.
Схема кольцевого резонатора и его изображения в растровом электронном микроскопе. Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters
В последнее время ученые используют пространственное кодирование на чипе, которое заключается в следующем: на каждый кубит приходится два пути (волновода) в чипе, фотон может идти по одному пути — тогда он кодирует 0, или по другому — и тогда он кодирует 1. Оба пути одного фотона могут переплетаться между собой и такое переплетение образует светоделитель. Пути от разных фотонов тоже могут пересекаться, позволяя им взаимодействовать друг с другом.
Чипы-интерферометры для пространсвенного кодирования можно изготавливать литографическими методами на подложках из кремния, что очень удобно из-за освоенности полупроводниковой технологии. Генерация пар фотонов на этих же чипах позволила бы сделать фотонные процессоры еще миниатюрнее и избежать потерь на вводе излучения в чип. Поэтому ученые активно занимаются разработкой интегральных источников одиночных фотонов и пытаются вывести их на один уровень с уже существующими аналогами.
Один из важных параметров однофотонных источников — яркость. В случае использования нелинейных кристаллов в качестве источников, яркость показывает с какой частотой он испускает пары фотонов при определенной мощности. В результате накачки нелинейного кристалла (в данном случае ниобата лития) происходит спонтанное параметрическое рассеяние и из кристалла начинают вылетать запутанные пары фотонов, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма. Кроме того, из-за того, что процесс генерации спонтанный, невозможно определить точные моменты, в которые рождаются фотоны. Для того, чтобы понимать, что на выходе источника есть фотон, детектируют парный ему фотон, который родился вместе с этим фотоном в одно и то же время (этого близнеца называются объявленным (heralded) фотоном).
Группа исследователей из Технологического института Стивенса под руководством Юй-Пин Хуаня (Yu-Ping Huang) смогла на порядок увеличить яркость источника одиночных фотонов на чипе. Ученые изготовили периодически поляризованный кристалл из ниобата лития с высоким коэффициентом нелинейности в виде кольцевого резонатора и накачивали его на длине волны 777,3 нанометра для генерации одиночных фотонов в невырожденном режиме. На подложку из кремния с двухмикрометровым слоем диоксида авторы наносили концентрический периодически поляризованный слой ниобата лития, в котором литографически рисовали кольцевой резонатор и после травления получали нужную структуру.
Для оценки коэффициента нелинейности кристалла, от которого зависит яркость источника, авторы накачивали кристалл и налюдали за генерацией второй гармоники. В этом процессе падающие фотоны с одинаковыми частотами объединяются внутри кристалла для генерации фотонов с удвоенной частотой. Авторы использовали инфракрасный лазер на длине волны 1554,6 нанометров в качестве накачки и получили эффективность генерации второй гармоники около 20 процентов (для случайного процесса это очень большое значение) при мощности всего 350 микроватт.
Разные схемы экспериментов: (a) для измерения скорости генерации, (b) для измерения корреляционной функции второго порядка. Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters
После этого ученые накачивали кристалл на длине волны 777,3 нанометра для генерации пар запутанных фотонов. Они тщательно подбирали параметры накачки (именно поэтому длины волн в экспериментах указаны очень точно), температуру кристалла и использовали оптические фильтры после него для того, чтобы увеличить вероятность рождения и детектирования одиночных фотонов. В итоге полученная яркость источника оказалась меньше предсказанной теоретической всего в 2,6 раза, что связано с большой чувствительность процесса к малейшим изменениям подобранных параметров. Кажется, что чем сильнее накачивать кристалл, тем больше фотонов удастся сгенерировать. Однако, для мощности накачки кристалла существует оптимальное значение и оно определяется отношением парных событий (совпадений на детекторах) к случайным. Дело в том, что при большой мощности накачки, становятся видимыми нелинейные эффекты высших порядков и помимо парных совпадений детекторы регистрируют и многофотонные. Поэтому физики измеряли это соотношение и подобрали мощность, при которой оно максимально.
Последним этапом исследования стала проверка работы источника в режиме с объявленным фотоном. В этом эксперименте они проверяли, что не объявленные фотоны действительно двигаются по одному. Для оценки качества однофотонного источника используют корреляционную функцию второго порядка. Авторы использовали один фотон как объявленный, а на пути другого ставили светоделитель и два детектора в каждом из его плеч. Один фотон не может вызвать одновременный клик обоих детекторов. При изменении задержки между фотонами иногда возможны случаи, когда они приходят на светоделитель вместе и детекторы регистрируют совпадения. Зависимость таких совпадений от временной задержки и описывают корреляционная функция второго порядка. В идеальном случае, минимум этот функции должен быть равен нулю. В работе ученым удалось добиться значения 0.008 в минимуме при нулевой задержке.
Сравнение ключевых параметров разработанного источника с существующими. Zhaohui Ma et al. / Physical Review Letters
Сравнение разработанного источника с другими интегральными аналогами показывает его превосходство в яркости без потери в других параметрах. Его интеграция на чип с другими оптическими элементами позволит создавать быстрые, реконфигурируемые и многофункциональные квантовые устройства.
Разработка других частей квантового компьютера в интегральном исполнении тоже интересует ученых. Китайские физики уже использовали интегральный чип для реализации бозонного сэмплинга, а российские физики разрабатывают фотонный чип для 50-кубитного квантового компьютера.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/, https://nangs.org/, https://scienceforum.ru/
