Квантовые технологии обещают большие перспективы: всего через несколько лет квантовые компьютеры, как ожидается, произведут революцию в поиске баз данных, системах искусственного интеллекта и вычислительном моделировании.
Уже сегодня квантовая криптография может гарантировать абсолютно безопасную передачу данных, хотя и с ограничениями. Ключевым преимуществом будет максимально возможная совместимость с нашей современной электроникой на основе кремния. И именно здесь Физики из Центра Гельмгольца Дрездена-Россендорфа (HZDR) и TU Dresden добились замечательного прогресса: команда разработала источник света на основе кремния для генерации одиночных фотонов, которые хорошо распространяются в стеклянных волокнах.
Квантовая технология основана на способности управлять поведением квантовых частиц настолько точно, насколько это возможно, например, запирая отдельные атомы в магнитных ловушках или посылая отдельные частицы света – называемые фотонами – через стеклянные волокна. Последнее лежит в основе квантовой криптографии, метода связи, который в принципе является защищенным от прослушивания: любой потенциальный похититель данных, перехватывающий фотоны, неизбежно разрушает их квантовые свойства. Отправители и получатели сообщения заметят это и смогут вовремя остановить скомпрометированную передачу.
Это требует источников света, которые доставляют одиночные фотоны. Такие системы уже существуют, особенно на основе алмазов, но у них есть один недостаток: эти алмазные источники могут генерировать фотоны только на частотах, которые не подходят для волоконно-оптической передачи”, - объясняет физик HZDR д-р Георгий Астахов. Что является существенным ограничением для практического использования."Поэтому Астахов и его команда решили использовать другой материал-испытанный электронный базовый материал кремний.
100 000 одиночных фотонов в секунду. Чтобы заставить материал генерировать инфракрасные фотоны, необходимые для волоконно-оптической связи, специалисты подвергли его специальной обработке, избирательно стреляя углеродом в кремний с помощью ускорителя в центре пучка ионов HZDR. Это создало то, что называется G-центрами в материале – два соседних атома углерода, соединенных с атомом кремния, образуя своего рода искусственный атом.
При облучении красным лазерным лучом этот искусственный атом испускает искомые инфракрасные фотоны на длине волны 1,3 микрометра-частоте, превосходно подходящей для волоконно-оптической передачи. "Наш прототип может производить 100 000 одиночных фотонов в секунду”, - сообщает Астахов. И она стабильна. Даже после нескольких дней непрерывной работы мы не заметили никакого ухудшения.Однако система работает только в очень холодных условиях-физики используют жидкий гелий, чтобы охладить его до температуры минус 268 градусов Цельсия.
Мы впервые смогли показать, что одно фотонный источник на основе кремния возможен, с радостью сообщает коллега Астахова доктор Ордер Перенесен. Это в основном позволяет интегрировать такие источники с другими оптическими компонентами на чипе.Среди прочего, было бы интересно соединить новый источник света с резонатором, чтобы решить проблему, что инфракрасные фотоны в основном появляются из источника случайным образом. Однако для использования в квантовой связи было бы необходимо генерировать фотоны по требованию.
Источник света на чипе
Этот резонатор можно было бы настроить так, чтобы он точно попадал на длину волны источника света, что позволило бы увеличить количество генерируемых фотонов до такой степени, чтобы они были доступны в любой момент времени. Уже доказано, что такие резонаторы могут быть построены в кремнии, сообщает Перенесен. - Недостающее звено источник одиночных фотонов на основе кремния. И это именно то, что мы сейчас смогли создать.
Но прежде чем они смогут рассмотреть практическое применение, исследователям HZDR еще предстоит решить некоторые проблемы – например, более систематическое производство новых телекоммуникационных одно фотонных источников. Мы постараемся внедрить углерод в кремний с большей точностью, - объясняет Георгий Астахов. HZDR с его центром ионного пучка обеспечивает идеальную инфраструктуру для реализации подобных идей.
