Исследования, проведенные Дмитрием Федяниным и Марио Агио, направлены на разработку эффективных источников однофотонных сигналов с электрическим приводом — устройств, которые излучают одиночные фотоны при приложении электрического тока. Другими словами, используя такие устройства, можно сгенерировать фотон «по запросу», просто приложив небольшое напряжение к устройствам, вероятность выхода нулевых фотонов исчезающе мала, а генерация двух или более фотонов одновременно принципиально невозможна.
До недавнего времени считалось, что квантовые точки (наноразмерные полупроводниковые частицы) являются наиболее многообещающими кандидатами на роль истинных однофотонных источников. Однако они работают только при очень низких температурах, что является их основным недостатком — массовое применение невозможно, если устройство необходимо охлаждать жидким азотом или еще более холодным жидким гелием, или использовать холодильные установки, которые еще дороже и властолюбивый. В то же время было известно, что определенные точечные дефекты в кристаллической решетке алмаза, которые возникают, когда посторонние атомы (например, кремний или азот) попадают в алмаз случайно или в результате целевой имплантации, могут эффективно излучать одиночные фотоны при комнатной температуре. Однако этого удалось достичь только путем оптического возбуждения этих дефектов с помощью внешних мощных лазеров.
Этот метод идеален для исследований в научных лабораториях, но очень неэффективен в практических устройствах. С другой стороны, эксперименты с электрическим возбуждением не дали лучших результатов — по яркости алмазные источники значительно (на несколько порядков) проигрывали квантовым точкам. Поскольку не существовало теорий, описывающих излучение фотонов из центров окраски в алмазах при электрическом возбуждении, было невозможно оценить потенциал этих однофотонных источников, чтобы увидеть, могут ли они быть использованы в качестве основы для квантовых устройств будущего.Новая публикация дает утвердительный ответ — дефекты в структуре алмаза на атомном уровне могут быть использованы для создания высокоэффективных однофотонных источников, которые даже более перспективны, чем их аналоги на основе квантовых точек.
Работа на однофотонном уровне не только увеличит энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи данных более чем в тысячу раз, но также заложит основы для разработки новых квантовых устройств. Создание квантовых компьютеров все еще является перспективой будущего, но безопасные линии связи, основанные на квантовой криптографии, уже начинают использоваться. Однако сегодня они не используют настоящих однофотонных источников; вместо этого они полагаются на так называемые ослабленные лазеры. Это означает, что существует не только высокая вероятность отправки нулевых фотонов в канал, что значительно снижает скорость передачи данных, но также высокая вероятность одновременной отправки двух, трех, четырех или более квантов света.
Эти «лишние» фотоны можно было перехватить, и ни отправитель, ни получатель не узнали бы об этом. Это делает канал связи уязвимым для подслушивания, и квантовая криптография теряет свое главное преимущество — фундаментальную защиту от всех типов атак.
Для квантовых вычислений также важно иметь возможность манипулировать отдельными фотонами. Квант света можно использовать для представления кубита — фундаментальной единицы квантовой обработки информации, которая представляет собой суперпозицию двух или более квантовых состояний. Например, кубит может быть закодирован в поляризации одиночного фотона.
Преимущество парадигмы оптических квантовых вычислений состоит в том, что можно объединить квантовые вычисления с квантовой связью и спроектировать высокопроизводительные, большие и масштабируемые квантовые суперкомпьютеры, что невозможно сделать с использованием других физических систем, таких как сверхпроводящие схемы или захваченные ионы.Дмитрий Федянин и Марио Агио первыми успешно раскрыли механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработали теоретические основы для его количественной оценки. Они обнаружили, что не все состояния центров окраски можно возбуждать электрически, несмотря на то, что они могут быть «доступны» при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя как изолированные атомы или молекулы (например, водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза.
С другой стороны, электрическое возбуждение основано на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза. Это не только накладывает ограничения, но и открывает новые возможности.
Например, по словам исследователей, определенные дефекты могут последовательно излучать два фотона на двух разных длинах волн из двух разных зарядовых состояний в одном акте процесса электролюминесценции. Эта особенность может привести к развитию принципиально нового класса квантовых устройств, на которые раньше просто не обращали внимания, поскольку эти процессы невозможны при оптическом возбуждении центров окраски.
Но наиболее важным результатом исследования является то, что исследователи выяснили, почему при электрической накачке не наблюдается однофотонного излучения высокой интенсивности из центров окраски. Причиной тому стал технологически сложный процесс легирования алмаза фосфором, который не может обеспечить достаточно высокую плотность электронов проводимости в алмазе.Расчеты показывают, что с использованием современных технологий легирования можно создать яркий однофотонный источник со скоростью излучения более 100 000 фотонов в секунду при комнатной температуре.
Поистине замечательно, что скорость излучения увеличивается только при повышении температуры устройства, достигая более 100 миллионов фотонов в секунду при 200 градусах Цельсия. «Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое необходимо нагревать, чтобы улучшить его характеристики, а эффект от улучшения достигает трех порядков величины. Обычно, как электронным, так и оптическим устройствам требуется для охлаждения путем присоединения радиаторов к вентиляторам или помещения их в жидкий азот », — говорит Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. По его словам, технологическое усовершенствование легирования алмазов позволит еще больше повысить яркость в 10-100 раз.Сто миллионов фотонов — это очень мало по сравнению с домашними источниками света (например, обычная лампочка излучает более 10 ^ 18 фотонов в секунду), но следует подчеркнуть, что весь поток фотонов создается крошечным (~ 10 ^ — Размером 10 метров) дефект кристаллической решетки алмаза и, в отличие от лампочки, фотоны следуют строго один за другим.
Для упомянутых выше квантовых компьютеров было бы достаточно около десяти тысяч фотонов в секунду — возможность разработки квантового компьютера в настоящее время ограничена совершенно другими факторами. Однако в квантовых линиях связи использование алмазных однофотонных источников с электрическим приводом не только гарантирует полную безопасность, но также значительно увеличит скорость передачи информации по сравнению с псевдо-однофотонными источниками на основе ослабленных лазеров, используемых сегодня.
