Исследователи из Китая создали молекулярный квантовый чип, который решает одну из ключевых проблем фотонных квантовых процессоров. Устройство объединяет светоизлучающие одиночные молекулы с одномодовыми волноводами, обеспечивая стабильную работу неразличимых однофотонных источников.
Зачем нужны фотонные квантовые процессоры
Эти устройства обрабатывают информацию с помощью квантово-механических эффектов и частиц света — фотонов. Перспективные области применения: квантовые вычисления, защищенная связь, моделирование сложных квантовых систем.
Для реального использования фотонные чипы должны надежно объединять множество детерминированных и неразличимых однофотонных источников на одном кристалле. До сих пор это оставалось нерешенной задачей.
Проблема существующих решений
Большинство разработанных фотонных квантовых чипов используют твердотельные однофотонные излучатели. Их ограничивает спектральная диффузия — случайное блуждание частоты излучения.
Практическое следствие: излучатели редко демонстрируют переходы, ограниченные временем жизни. Это состояние, при котором цветовой диапазон фотонов определяется исключительно естественным временем жизни излучателей в возбужденном состоянии. Без этого условия надежная интеграция неразличимых однофотонных источников на кристалле невозможна.
Что сделали китайские ученые
Команда из Хуачжунского университета науки и технологий, Уханьского института квантовых технологий и Чжэцзянского университета разработала молекулярный чип нового типа. Результаты опубликованы в Nature Nanotechnology.
Сюэ-Вэнь Чен, старший автор исследования, объясняет предысторию:
«В предыдущей работе мы обнаружили, что отдельные органические молекулы, встроенные в монокристаллическую нанопластину, демонстрируют удивительно стабильную эмиссию с ограниченным временем жизни при подключении к фотонным цепям. Это открытие побудило нас создать молекулярный квантовый фотонный чип, способный параллельно работать с несколькими неразличимыми источниками однофотонных сигналов».
Архитектура чипа
«Наш молекулярный квантовый фотонный чип создан на основе гибридной интеграционной платформы, — объясняет Чен. — Она сочетает органические нанолисты со встроенными молекулами, фотонные схемы из нитрида кремния и металлические микроэлектроды».
Флуоресцентные молекулы DBT интегрированы в фотонные волноводы в контролируемой ориентации и положении. Это позволяет эффективно передавать их излучение в схему.
Иллюстрация эксперимента по двухфотонной квантовой интерференции на чипе. Источник: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02043-7
Ключевая особенность: электрическая настройка
Каждую молекулу в чипе можно настроить с помощью электричества. Применяя тщательно откалиброванные электрические поля через электроды, исследователи сдвигают частоты перехода двух молекул в отдельных волноводных каналах, делая их идентичными.
«Затем каждая молекула испускает одиночные фотоны в соответствующий волновод, — продолжает Чен. — Эти фотоны направляются на встроенный в чип светоделитель. На светоделителе фотоны встречаются и подвергаются интерференции Хонга — Оу — Манделя (HOM). Если они действительно неразличимы, они сливаются в одном выходном порту».
Измеряя корреляцию второго порядка между двумя выходами светоделителя, ученые определяют видимость HOM — величину, которая напрямую отражает степень неразличимости фотонов от двух независимых молекул.
Доказательство концепции
Исследователи создали два неразличимых источника однофотонного излучения на основе двух независимых молекул, встроенных в монокристаллическую органическую нанопластину. Излучение этих молекул продемонстрировало эффект квантовой интерференции HOM — прямое доказательство неразличимости источников.
Значение прорыва
Работа представляет перспективную стратегию интеграции множества неразличимых одиночных фотонов на чипе. Органические молекулы в монокристаллической нанопластине обеспечивают стабильность излучения, которой не хватало твердотельным излучателям.
Возможность электрической настройки каждой молекулы открывает путь к масштабированию технологии — созданию чипов с десятками и сотнями источников на одном кристалле.
Перспективы
Результаты китайских исследователей могут стать основой для разработки новых квантовых процессоров на основе молекулярных излучателей. Методы, использованные в работе, открывают возможности для создания крупномасштабных квантовых фотонных архитектур.
Надежная интеграция неразличимых однофотонных источников критически важна для практического применения фотонных квантовых процессоров. Без этого невозможны ни квантовые вычисления на фотонах, ни квантовая криптография, ни моделирование квантовых систем.
Команда продолжает работу над усовершенствованием молекулярного квантового фотонного чипа и расширением его функциональных возможностей. Молекулярный подход может стать платформой для следующего поколения квантовых фотонных устройств, где органические молекулы заменят твердотельные излучатели с их фундаментальными ограничениями.