Скорость излучения однофотонного источника повысили

3 сентября 2020
37

Команда российских и зарубежных ученых нашла способ увеличить скорость излучения однофотонных источников до новых рекордных значений — сотни терагерц при эффективности, близкой к 100%. Это достижение приближает возможность использования источников в системах квантовых коммуникаций и вычислений. Результаты работы опубликованы в журнале Optica.

Развитие фотонных квантовых технологий дает возможность сделать распространение квантовой запутанности и передачу квантовой информации на большие расстояния повседневной реальностью. Интегральная фотонная схема представляет собой устройство обработки оптических сигналов, ее основные элементы: источники, генерирующие одиночные фотоны, интегральная схема на базе волноводов и однофотонные детекторы. Все элементы должны быть изготовлены из практически идеальных материалов, чтобы не допустить потерю ни одного фотона. От скорости излучения фотонов напрямую зависит расстояние и скорость передачи информации, поэтому источники должны быть быстрыми, компактными и не требующими специальных температурных условий. 

В качестве исключительно ярких источников одиночных фотонов, работающих при комнатной температуре, могут выступать квантовые излучатели, связанные с плазмонными наноструктурами. В таких структурах свободные электроны на поверхности металлических наночастиц совершают коллективные колебания, взаимодействующие с электромагнитным излучением и во много раз усиливающие его. С использованием этой технологии команда ученых из Иллинойского университета, исследовательского центра НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ имени Н. Э. Баумана и ФГУП ВНИИА имени Н. Л. Духова изготовила твердотельный однофотонный источник с рекордной скоростью излучения — 35 миллионов одиночных фотонов в секунду. Высокую эффективность обеспечили плазмонные резонаторы, изготовленные на основе монокристаллического серебра с рекордно низкими оптическими потерями.

«Проведенная командой ювелирная работа максимально приближает нас к практическому внедрению разработанных источников, — отметил ведущий автор работы, профессор Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Семен Богданов. — Подход, основанный на высокой скорости излучения, может обеспечить необходимую для квантовых технологий когерентность на температурах, близких к комнатной. Это важно, поскольку в настоящий момент эффективные твердотельные квантово-когерентные фотонные источники доступны только на температурах, характерных для жидкого гелия. Кроме того, наши фотонные источники максимально компактны и могут быть размещены непосредственно на чипе модулей систем квантовых коммуникаций и вычислений».

Дальнейшие исследования были направлены на поиск оптимального режима работы, при котором сохранялась бы максимальная яркость излучения. Комплексное математическое моделирование определило фундаментальные пределы усиления квантового излучения в подобных системах. Ученые установили, что наилучшие рабочие характеристики источника достигаются в случае, когда оптические размеры резонатора и антенны существенно различаются. Результаты численного моделирования показывают, что предложенный подход может обеспечить повышение частоты излучения таких однофотонных источников до сотен терагерц с эффективностью близкой к 100%.