Лаборатория Муди разработала новый подход к генерации одиночных фотонов на чипе.
Массив однофотонных источников по требованию, детерминированно интегрированных с фотоникой на основе кремния, созданный в результате гибридной интеграции двумерных материалов с резонаторами из нитрида кремния. Источник: The Moody Lab, UCSB
Шумиха вокруг будущего квантовых технологий продолжает нарастать, поскольку исследователи стремятся использовать потенциал суперпозиционированных, запутанных и туннелирующих квантовых частиц. Эти частицы обладают уникальной способностью существовать в двух состояниях одновременно, что может значительно повысить мощность и эффективность многих приложений.
По словам Камяра Парто, аспиранта Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и одного из ведущих авторов статьи, опубликованной в журнале Nano Letters, нынешнее состояние квантовых устройств находится "примерно там, где компьютер был в 1950-х годах", или в самом начале своего развития. Парто работает в лаборатории Галана Муди, известного эксперта в области квантовой фотоники и доцента кафедры электротехники и вычислительной техники. В статье описывается значительный прорыв в этой области - создание на кристалле "фабрики" для генерации стабильного и быстрого потока одиночных фотонов, которые имеют решающее значение для развития квантовых технологий на основе фотоники.
На ранних этапах развития компьютеров, объясняет Парто, "исследователи только что создали транзистор, и у них были идеи, как сделать цифровой переключатель, но платформа была слабой. Разные группы разрабатывали разные платформы, и в конце концов все сошлись на CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник). Затем мы получили огромный взрыв вокруг полупроводников.
"Квантовая технология находится в похожем положении - у нас есть идея и представление о том, что мы можем с ней сделать, и есть много конкурирующих платформ, но пока нет явного победителя", - продолжает он. "У вас есть сверхпроводящие кубиты, спиновые кубиты в кремнии, электростатические спиновые кубиты и квантовые компьютеры на основе ионных ловушек. Microsoft пытается сделать топологически защищенные кубиты, а в лаборатории Муди мы работаем над квантовой фотоникой".
Парто предсказывает, что выигрышной платформой будет сочетание различных платформ, учитывая, что каждая из них является мощной, но в то же время имеет свои ограничения. "Например, очень легко передавать информацию с помощью квантовой фотоники, потому что свет любит двигаться", - сказал он. Спиновый кубит, однако, позволяет хранить информацию и делать с ней некоторые локальные "вещи", но вы не можете перемещать эти данные. Так почему бы нам не попробовать использовать фотонику для передачи данных с платформы, которая хранит их лучше, а затем преобразовать их в другой формат, как только они окажутся там?".
Кубиты, эти странно ведущие себя драйверы квантовых технологий, конечно же, отличаются от классических битов, которые могут существовать только в одном состоянии - ноль или единица. Кубиты могут быть одновременно и единицей, и нулем. В области фотоники, сказал Парто, один фотон можно заставить как существовать (состояние один), так и не существовать (состояние ноль).
Это потому, что один фотон представляет собой так называемую двухуровневую систему, то есть он может существовать в нулевом состоянии, в состоянии единицы или в любой комбинации, например, 50% единицы и 50% нуля, или, может быть, 80% единицы и 20% нуля. Это можно делать регулярно в группе Moody. Задача состоит в том, чтобы генерировать и собирать одиночные фотоны с очень высокой эффективностью, например, направляя их на чип с помощью волноводов. Волноводы делают именно то, что следует из их названия, направляя свет туда, куда ему нужно, подобно тому, как провода направляют электричество.
Парто объяснил: "Если мы поместим эти одиночные фотоны во множество различных волноводов - по тысяче одиночных фотонов на каждом волноводе - и как бы хореографически организуем движение фотонов по волноводам на чипе, мы сможем произвести квантовые вычисления".
Хотя использовать волноводы для маршрутизации фотонов на чипе относительно просто, выделить один фотон нелегко, а создать систему, которая быстро и эффективно производит миллиарды фотонов, гораздо сложнее. В новой работе описывается метод, использующий необычное явление для генерации одиночных фотонов с эффективностью, значительно превышающей достигнутую ранее.
"Работа заключается в усилении генерации этих одиночных фотонов, чтобы они стали полезными для реальных приложений", - сказал Парто. "Прорыв, описанный в этой работе, заключается в том, что теперь мы можем надежно генерировать одиночные фотоны при комнатной температуре таким способом, который подходит для (массового производства) КМОП".
Существуют различные способы получения одиночных фотонов, но Парто и его коллеги делают это, используя дефекты в определенных двумерных (2D) полупроводниковых материалах, толщина которых составляет всего один атом, по сути, удаляя часть материала для создания дефекта.
"Если направить свет (генерируемый лазером) на дефект нужного типа, материал ответит испусканием одиночных фотонов", - сказал Парто, добавив: "Дефект в материале действует как так называемое состояние ограничения скорости, что позволяет ему вести себя как фабрика по выпуску одиночных фотонов по одному за раз". Один фотон может производиться не чаще, чем каждые три-пять наносекунд, но исследователи пока не уверены в этой скорости, а Парто, который получил докторскую степень по теме инженерии таких дефектов, говорит, что текущая скорость может быть гораздо медленнее.
Большим преимуществом двумерных материалов является то, что в них можно создавать дефекты в определенных местах. Кроме того, по словам Парто, "материалы настолько тонкие, что вы можете взять их и нанести на любой другой материал, не будучи ограничены геометрией решетки трехмерного кристаллического материала. Это делает двумерный материал очень легким для интеграции, что мы и демонстрируем в данной работе".
Чтобы создать полезное устройство, дефект на двумерном материале должен быть помещен в волновод с предельной точностью. "Есть одна точка на материале, которая производит свет от дефекта", - отметил Парто, - "и нам нужно, чтобы этот единственный фотон попал в волновод".
Исследователи пытаются сделать это несколькими способами, например, помещая материал на волновод, а затем ища существующий одиночный дефект, но даже если дефект точно выровнен и находится в правильном положении, эффективность извлечения составит всего 20-30%. Это происходит потому, что одиночный дефект может излучать только с одной определенной скоростью, и часть света излучается под косым углом, а не прямо по пути к волноводу. Теоретический верхний предел такой конструкции составляет всего 40%, но для создания полезного устройства для квантово-информационных приложений требуется эффективность извлечения 99,99%.
"Свет от дефекта по своей природе светит везде, но мы предпочитаем, чтобы он светил в эти волноводы", - объяснил Парто. "У нас есть два варианта. Если поставить волноводы поверх дефекта, то, возможно, десять-пятнадцать процентов света попадет в волноводы. Этого недостаточно. Но существует физическое явление, называемое эффектом Перселла, которое мы можем использовать для повышения эффективности и направления большего количества света в волновод. Для этого нужно поместить дефект внутрь оптической полости - в нашем случае в форме микрокольцевого резонатора, который является одним из единственных резонаторов, позволяющих направлять свет в волновод и из него.
"Если полость достаточно мала, - добавил он, - она будет выдавливать вакуумные флуктуации электромагнитного поля, и именно эти флуктуации вызывают спонтанную эмиссию фотонов из дефекта в моду света. Выдавливая эти квантовые флуктуации в полость конечного объема, флуктуации над дефектом увеличиваются, заставляя его излучать свет преимущественно в кольцо, где он ускоряется и становится ярче, тем самым увеличивая эффективность извлечения".
