Фотоны со свойствами лазера вплотную подводят нас к созданию квантового Интернета

Реализация на практике квантовых сетей – один из крупнейших вызовов современной физики. И вот теперь недавнее исследование показывает, как высококачественные фотоны могут быть получены из «твердотельных» чипов, приближая нас к появлению квантового Интернета.

Количество транзисторов в микропроцессорах продолжает удваиваться каждые два года, удивительным образом продолжая следовать закону Мура, предсказанному ещё 50 лет назад.

Если так будет продолжаться и дальше, существенные концептуальные и технические подвижки в области квантовой механики в микрочипах нам понадобятся уже в течение ближайшего десятилетия.

Большое разнообразие твердотельных систем в настоящее время исследуются в качестве кандидатов на роль квантовых битов информации, или кубитов, также как и некоторое число различных подходов к протоколам квантовых вычислений — и главной задачей сейчас является определение наилучшей комбинации. Один такой кубит, квантовая точка, создаётся из полупроводниковых нанокристаллов, интегрированных в чип, и может управляться электронно-оптическими методами.

Единичные фотоны будут формировать летящие кубиты – неотъемлемую часть распределённых квантовых сетей. Во-первых, они являются естественным выбором для квантовой коммуникации, поскольку они переносят информацию на большие расстояния быстро и надёжно. А во-вторых, они играют важную роль в квантовых логических операциях, в том случае если все вовлечённые в операцию фотоны являются идентичными.

К несчастью, качество фотонов, генерируемых из твердотельных кубитов, включая квантовые точки, может быть достаточно низким в силу декогерирующих процессов внутри материалов. Если каждый излучённый фотон будет отличаться от других, развитие квантовых фотонных сетей столкнётся с серьёзнейшим препятствием.

Но недавно исследователи из Лаборатории Кавендиша в Кембриджском Университете сумели разработать новаторскую методику генерации из твердотельных устройств единичных фотонов со строго заданными свойствами, которые идентичны по своим качествам лазеру. Материалы их открытия были опубликованы в журнале «Nature Communications».

В качестве источника фотонов исследователи использовали полупроводниковый диод Шоттки, содержащий квантовые точки, к которым можно обращаться индивидуально. Переходы квантовых точек использовались для генерации единичных фотонов посредством резонансной флуоресценции – техники, которая была прежде продемонстрирована этой же командой.

При слабом возбуждении, известном как режим Гайтлера, основной вклад в генерацию фотонов осуществляет упругое рассеяние. При таком подходе, декогеренция фотонов может быть полностью устранена. По определению учёных, в терминах когеренции и формы волны эти фотоны идентичны лазерам.

«Наше исследование добавило концепции формирования когерентных фотонов к инструментарию твердотельной квантовой фотоники», говорит доктор Мит Ататюр с Кафедры физики, который возглавляет этот проект.

«Мы теперь получаем большое количество единичных фотонов, которые идентичны по своим свойствам лазерам, с последующей возможностью получать когерентные программируемые волновые формы – а это существенный сдвиг парадигмы по сравнению с традиционным подходом к генерации единичных фотонов посредством спонтанного распада».

На сегодняшний день уже существуют протоколы квантовых вычислений и коммуникации, которые опираются на такую схему генерации фотонов, и эта работа может быть расширена на другие источники единичных фотонов, такие как отдельные молекулы, центры окраски в алмазах и нанопроводники.

«Мы находимся на пороге эры квантовых технологий, и квантовые вычисления – это всего лишь одна из многих прекрасных возможностей», добавляет Ататюр.

«Наши результаты предполагают, что множественные удалённые кубиты в распределённой квантовой сети могут разделять высококогерентное и программируемое фотонное взаимодействие, свободное от вредного побочного воздействия самих чипов. И как следствие, возможность создавать квантовую спутанность и выполнять квантовую телепортацию между удалёнными кубитами с очень высокой точностью теперь лишь вопрос времени».