Российские ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе разработали мельчайшие объекты для микроэлектроники, способные излучать одиночные фотоны. Доклад, посвященный этой разработке, ее практическому применению и потенциалу развития, представил на пленарном заседании форума «Микроэлектроника 2025» доктор физико-математических наук Алексей Акимович Торопов.
Однофотонные источники, то есть устройства, способные генерировать свет фактически по одному фотону, играют ключевую роль в технологиях, связанных с квантовыми вычислениями. Эти уникальные объекты кардинально отличаются от обычных ламп или лазеров. Когда мы включаем свет, мы видим поток из триллионов фотонов, непрерывный и хаотичный. Однофотонный излучатель, напротив, испускает световые частицы строго поштучно, подобно метроному, выдающему один тик за раз. Это свойство становится фундаментальным для таких перспективных направлений, как квантовая криптография, где информация кодируется в состоянии отдельных фотонов, а любая попытка перехвата неизбежно нарушает их хрупкое состояние.
Одним из наиболее практичных и изучаемых типов таких излучателей являются квантовые точки. Их можно представить как искусственные атомы. Если в обычном полупроводнике, например, в чипе процессора, электроны могут свободно перемещаться, то квантовая точка — это наноразмерная «клетка», которая запирает электроны в трех измерениях. Попадая в такую ловушку, электроны ведут себя не как свободные частицы, а подобно электронам в настоящем атоме: они могут занимать только строго определенные энергетические уровни.
Переход электрона с высокого уровня на низкий сопровождается испусканием фотона, причем его цвет, или длина волны, идеально контролируется размером точки. Чем точка меньше, тем более энергиальный, то есть «синий», фотон она испускает.«Предполагается, что у нас есть двухуровневая квантовая система, которая возбуждается короткими лазерными импульсами — настолько короткими, что система не успевает излучить второй фотон и выдает только один. В идеале такой источник должен на каждый импульс накачки выдавать ровно один фотон. Но, к сожалению, таких источников пока не сделано. Поэтому очень важный параметр — это яркость, или эффективность источника одиночных фотонов: вероятность излучения фотона за один импульс накачки. В идеале она должна быть 100%. Теперь о мотивации — это квантовые коммуникации, в первую очередь системы квантового распределения ключей (КРК). Исторически именно здесь возникла необходимость в разработке и применении источников одиночных фотонов, по крайней мере, для многих протоколов квантовой криптографии, работающих в телекоммуникационных диапазонах, идеально — на длине волны 1,55 микрона, где минимальны потери в оптическом волокне и в атмосфере», —отметил А.А. Торопов.
Сегодня ученые в основном работают с сильно ослабленными лазерными импульсами, поскольку создание истинных источников одиночных фотонов оказалось крайне сложным. Однако у всего есть пределы: именно статистика фотонов в лазерном излучении ограничивает, например, быстродействие таких систем — мы не можем увеличить интенсивность, не потеряв однофотонный характер. Поэтому многие компании в мире с недавних пор сосредоточились на разработке детерминированных источников фотонов, в первую очередь, на основе одиночных квантовых точек в полупроводниковых материалах, объяснил ученый.
Источник одиночных фотонов на основе InAs/GaAs КТ с РБО и его использование в схеме пространственно-временного демультиплексирования.
«Приведу пример: статья в журнале “Light”, где четыре немецкие университетские команды реализовали систему КРК между городами, используя как раз источник на основе одиночной квантовой точки арсенида индия. Эта точка, помещенная в микрорезонатор, излучает на длине волны, соответствующей телекоммуникационному диапазону, с очень хорошим параметром однофотонности — значением корреляционной функции второго порядка при нулевой задержке, около 0,03. Это отличный результат. Однако если сравнить с лучшими системами КРК на ослабленных лазерных импульсах, они пока еще заметно лучше. Проблема — в низкой конечной эффективности, или яркости, источника: среднее число фотонов, попадающих в одномодовое оптическое волокно. У лучших образцов она меньше 5%, то есть менее 5 фотонов на 100 импульсов накачки. Это ключевой параметр, который необходимо улучшать, и мы подобрались к характеристикам, которые уже почти могут конкурировать с ослабленными лазерными импульсами», — продолжил А.А. Топоров.
Базовый дизайн источника, разработанного в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, был предложен еще в 2002 г.: это квантовая точка, излучающая одиночные фотоны при оптической накачке, и микрорезонатор. Резонатор необходим, потому что квантовая точка — очень слабый излучатель; резонатор позволяет многократно усилить взаимодействие и собрать фотоны в одну моду. По итогу разработанный учеными источник выполнен в форме микрорезонатора типа «столбик» с распределенными брэгговскими зеркалами и активной областью в одну длину волны, в центре которой расположена квантовая точка.
«Для возбуждения мы используем резонансную когерентную накачку — лазерным импульсом на той же длине волны, что и излучение фотона. Чтобы отделить лазерное излучение, применяется схема с перекрестными поляризациями, но она приводит к потерям 50% сигнала. Мы смогли снизить потери до 14%, используя анизотропный микрорезонатор с двумя ортогональными модами: лазер возбуждает одну моду, а фотон детектируется в другой. Еще одно наше ноу-хау — управление зарядовым состоянием квантовой точки. Для работы анизотропного резонатора нужна однократно заряженная точка. Мы научились управлять зарядом с помощью легирования и оптического смещения уровня Ферми, работая в режиме кулоновской блокады. В результате мы достигли эффективности 34% — это мировой рекорд для монолитных источников такого типа, с хорошими параметрами однофотонности», — сообщил ученый.
Рынок этих приборов пока очень узок — в основном для научных исследований. Например, разработанный в институте источник используется в МГУ для экспериментов по фотонным квантовым вычислениям. Однако практическое применение однофотонных излучателей постепенно начинает выходить за стены лабораторий. В области телекоммуникаций они являются основой для создания абсолютно защищенных каналов связи. Сигнал, состоящий из одиночных фотонов, нельзя незаметно «прослушать», так как любое измерение уничтожает фотон и сигнализирует о присутствии третьей стороны. В долгосрочной перспективе именно квантовые точки рассматриваются как одна из платформ для создания кубитов — элементарных единиц квантового компьютера, способного решать задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам.
Свежие комментарии