Одиночные фотоны «по запросу»

Прорыв в фотонике, который поможет создать очень компактные оптические чипы размером с толщину человеческого волоса, доставляющие один фотон за один раз, был достигнут учеными из Сиднейского университета.

«Этот результат имеет применения в разработке сложных квантовых технологий, в том числе полностью безопасных средств связи, квантового измерения, моделирования биологических и химических систем и, конечно, квантовых вычислений», - сказал д-р Алекс Кларк (Alex Clark), руководитель исследовательской группы из CUDOS Австралийского совета по исследованиям. Работа является частью более широкого сотрудничества с участием австралийских и международных университетов.

Фотоны могут надежно переносить квантовую информацию. Поэтому важно разработать чип, доставляющий один фотон за один раз при очень высоких скоростях повторений, что обеспечит масштабируемость для разнообразия квантовых технологий, которые могли бы улучшить вычислительную и коммуникационную инфраструктуры. Масштабируемость в данном случае подразумевает способность использовать много источников фотонов для параллельного выполнения сложных задач.

«Мы достаточно легко можем генерировать фотоны при высоких скоростях, но гораздо труднее гарантировать, чтобы они следовали один за другим, потому что фотоны «общительны» по природе и любят быть вместе», - сказал ведущий автор статьи Мэтью Коллинз (Matthew Collins), аспирант из CUDOS в Сиднейском университете. - По этой причине квантовое научное сообщество ждало более десяти лет появления компактного оптического чипа, который доставляет ровно один фотон за один раз при очень высоких скоростях повторений».

На самом деле, создание одного фотона в оптической схеме возможно уже в течение нескольких лет, но предыдущие демонстрации были трудны в реализации и масштабировании или были чрезмерно зашумленными. Это ограничивает технологии единичных фотонов либо скоростью, либо наличием высокой вероятности ошибки.

«Мы показали, как несколько несовершенных источников фотонов на одной микросхеме можно комбинировать для создания источника гораздо более высокого качества», - сказал д-р Кларк.

Фотоны здесь генерируются импульсным лазером. «Ключевым прорывом в данном исследовании была разработка фотонных чипов, которые замедляют свет, - сказал проф. Бен Эгглтон (Ben Eggleton), директор CUDOS и соавтор статьи. - Это сделало генерацию одного фотона более надежной, что позволило снизить потребности в энергии и разработать чрезвычайно компактные устройства с длинами не более 200 мкм».

Следующий шаг заключается в интеграции всех компонентов этой схемы в одной микросхеме, так что источник одиночных фотонов «по требованию» мог бы быть включен в будущие фотонные квантовые технологии. 

Алекс Кларк (на заднем плане) и его группа