Одиночные фотоны из кремниевого чипа

Квантовая технология подает большие надежды: ожидается, что всего через несколько лет квантовые компьютеры произведут революцию в поиске в базах данных, системах ИИ и вычислительном моделировании. Ключевым преимуществом будет максимально возможная совместимость с современной кремниевой электроникой. И именно здесь физики из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и TU Dresden добились значительного прогресса: команда разработала кремниевый источник света для генерации одиночных фотонов, которые хорошо распространяются в стеклянных волокнах.

Квантовая технология основана на способности максимально точно контролировать поведение квантовых частиц, например, запирая отдельные атомы в магнитных ловушках или посылая фотоны 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. - Это является существенным ограничением для практического использования». Поэтому Астахов и его команда решили использовать другой материал - проверенный временем кремний.

Чтобы заставить материал генерировать инфракрасные фотоны, необходимые для оптоволоконной связи, эксперты подвергли его специальной обработке, избирательно 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, образующие своего рода искусственный атом.

При облучении красным лазерным светом этот искусственный атом излучает желаемые инфракрасные фотоны на длине волны 1,3 микрометра, что 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». Однако система работает только в экстремально холодных условиях - физики используют жидкий гелий, чтобы охладить ее до температуры - 268° С.

«Мы впервые смогли показать, что однофотонный источник на основе кремния возможен, - сообщил коллега Астахова доктор Йондер Беренсен (Yonder Berencén). - Это в основном позволяет интегрировать такие источники с другими оптическими компонентами на кристалле». 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 генерировать фотоны по запросу.

Этот резонатор может быть настроен так, чтобы точно соответствовать длине волны источника света, что позволит увеличить количество генерируемых фотонов до такой степени, что они 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.

Схематическое изображение одиночного дефекта в кремниевой пластине, созданного имплантацией атомов углерода, который испускает одиночные фотоны в телекоммуникационном O-диапазоне (диапазон длин волн: от 1260 до 1360 нм), подключенной к оптическому волокну