Одним из элементов будущих квантовых компьютеров являются матрицы надежных источников единичных фотонов, при помощи которых кодируется передаваемая и обрабатываемая информация. Большинство ученых считают квантовые точки различных типов идеальными кандидатами на “должность” таких источников. Однако исследователи из университета Цукубы (University of Tsukuba), Япония, продемонстрировали, что арсенид галлия (GaAs), полупроводниковый материал с добавками атомов некоторых других элементов, является более надежным источником единичных фотонов, нежели квантовые точки любых типов. Использование источников на базе допированного арсенида галлия позволит получить более четкую и определенную последовательность фотонов, при этом, параметры фотонов, излученных из одного или различных таких источников, практически не отличаются друг от друга.

“Нам удалось продемонстрировать работу полупроводникового источника единичных фотонов, что является существенным шагом к разработке новых технологий квантовой обработки информации. И самым удивительным является то, что основой этого источника стали обычные и хорошо изученные полупроводники III-V группы с введенными в них дополнительными примесями” – рассказывает Мичио Икесава (Michio Ikezawa), профессор из университета Цукубы, – “В этом источнике используется так называемый эффект наложения волновых пакетов и за счет этого эффекта все испускаемые фотоны имеют идеально совпадающий набор основных параметров, таких, как энергия, пространственная ориентация, поляризация, время появления и т.п.”

В качестве примеси к арсениду галлия японские ученые использовали атомы азота. Получение этого материала проводилось при участии исследователей из японского Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science), который так же располагается в городе Цукуба. В созданных источниках единичных фотонов используется новый способ излучения света при помощи так называемых изоэлектронных ловушек.

Из-за достигнутой высокой однородности легирования арсенида галлия атомами азота на одном кристалле полупроводникового материала образуется целая упорядоченная матрица таких ловушек, каждая из которых представляет собой отдельный источник единичных фотонов. Фотоны света с модулированными заданным образом квантовыми характеристиками, “рожденные” внутри изоэлектронных ловушек, имеют долгое время жизни, в течение которого сохраняются неизменными квантовые характеристики этих фотонов, что само по себе является необходимым для построения будущих квантовых компьютеров.

Для проверки полной идентичности излучаемых фотонов ученые использовали эффект Хонга-У-Мандела (Hong-Ou-Mandel). Два идентичных фотона были запущены через два входных порта в устройство, внутри которого было произведено их высокоточное совмещение. Это устройство представляет собой нечто наподобие интерферометра, который измеряет эффект взаимодействия между двумя фотонами. При полном совпадении всех параметров двух фотонов и закодированной в них квантовой информации при взаимодействии они должны полностью “погасить” друг друга, а устройство-интерферометр предназначалось для измерения параметров фотона, оставшегося после взаимодействия двух фотонов в случае наличия некоторых различий между характеристиками исходных фотонов.

Используя такой подход, который является первой в истории реализации подобного вида измерений, исследователи выяснили, что фотоны, излучаемые допированными полупроводниками III-V группы, имеют гораздо более высокое подобие друг другу, нежели фотоны, излучаемые источниками на основе квантовых точек различных типов, которые использовались в этом эксперименте в сравнительных целях.

В дальнейших исследованиях японские ученые будут пытаться уменьшить и без того малые различия между испускаемыми фотонами. Для этого им потребуется найти механизм подавления некоторых нежелательных эффектов, которые были обнаружены во время первого эксперимента.

Для любознательных

Источники единичных фотонов: квантовое будущее уже начинается

Квантовые технологии стремительно переходят из лабораторий в реальный мир, и одной из ключевых составляющих этого прорыва становятся источники единичных фотонов — устройства, способные испускать свет по одному кванту за раз. Такие источники играют критически важную роль в создании квантовых компьютеров, квантовой криптографии и квантовых сетей связи, где информация кодируется не в битах, а в кубитах, реализованных, например, на поляризации одиночных фотонов.

Почему одиночные фотоны так важны?

В классической оптике свет — это поток электромагнитных волн. Но в квантовой физике свет состоит из частиц — фотонов. Для квантовых вычислений и связи необходимо управлять отдельными фотонами, потому что именно они могут быть носителями квантовой информации (кубитов). При этом важно, чтобы фотоны были:

• Единичными — не парами или группами, а строго по одному.
• Идентичными — с одинаковыми частотой, поляризацией и формой импульса.
• Управляемыми — их можно было бы генерировать по требованию и направлять в нужные каналы.

Источник, способный выдавать такие фотоны, называется источником одиночных фотонов на основе спонтанного параметрического рассеяния (SPDC), квантовых точек, дефектов в алмазе (центры NV) или атомных систем.

Кто в мире работает над источниками одиночных фотонов?

Ведущие научные центры и компании по всему миру активно развивают эту технологию:

1. MIT (США) — исследуют квантовые точки на основе полупроводников, интегрированные в фотонные чипы.
2. University of Oxford (Великобритания) — разрабатывают источники на основе алмазных структур с центрами NV, стабильных при комнатной температуре.
3. Max Planck Institute (Германия) — работают с атомными ловушками и одиночными ионами для генерации фотонов с высокой точностью.
4. University of Science and Technology of China (Хэфэй) — лидеры в квантовой связи; создали спутник Micius, использующий одиночные фотоны для квантового распределения ключей.
5. IBM и Google (США) — в рамках своих квантовых процессоров исследуют фотонные интерфейсы для связи между кубитами.
6. Toshiba Europe (Кембридж) — внедряют одиночные фотоны в системы квантовой криптографии QKD и уже тестируют их в городских сетях.

Кто в России занимается этой темой?

В России исследования в области квантовых фотонных технологий активно ведутся в рамках национального проекта «Квантовые технологии», запущенного по инициативе Ростеха и Российской академии наук. Вот ключевые игроки:

1. Московский государственный университет (МГУ), Физический факультет — лаборатория квантовой оптики под руководством ведущих физиков разрабатывает источники на основе нелинейных кристаллов и атомных паров.
2. МФТИ (Физтех) — центр квантовых технологий в Долгопрудном работает с квантовыми точками и интегрированной фотоникой. Здесь создают чипы, способные генерировать и управлять одиночными фотонами.
3. Российский квантовый центр (РКЦ, Москва) — один из первых в стране начал исследования в области одиночных фотонов на основе центров NV в алмазах. Учёные добились стабильной генерации при комнатной температуре.
4. СПбПУ (Санкт-Петербургский политех) — разрабатывают фотонные кристаллы и наноструктуры для управления излучением.
5. НИТУ «МИСиС» — активно исследуют двумерные материалы (например, диселенид вольфрама), способные служить источниками одиночных фотонов.
6. Компания «Росквантовые технологии» — координирует усилия по созданию квантовой инфраструктуры, включая фотонные компоненты для квантовых компьютеров и сетей.

Перспективы и вызовы

Главная задача — создать компактный, стабильный и масштабируемый источник одиночных фотонов, который можно будет интегрировать в квантовые процессоры. Сегодня большинство систем работают при криогенных температурах или требуют сложной оптики. Учёные стремятся к чип-масштабным решениям, где источник, волноводы и детекторы будут находиться на одном субстрате.

В России, несмотря на технологическое отставание от США и Китая, наблюдается значительный прогресс. Уже в ближайшие 5–10 лет можно ожидать появления российских квантовых коммуникаторов и прототипов фотонных квантовых процессоров.

Заключение

Источники единичных фотонов — это не фантастика, а реальная основа квантового интернета и высокопроизводительных квантовых компьютеров. И хотя лидерство пока за западными и азиатскими лабораториями, Россия активно входит в гонку, развивая собственные компетенции. Будущее квантовых вычислений — в световых импульсах, и каждый из них может изменить мир.