Однофотонные
излучатели
Возможность преобразования
лазерного луча в поток отдельных фотонов
— этапное достижение, способное привести
к созданию новых квантовых устройств.
Предложенное решение базируется
на явлении электромагнитно-индуцированной
прозрачности (EIT), использовавшемся прежде
для замедления движения и даже полной
остановки фотонов. Этот эффект достигается
пропусканием фокусированного лазерного
света сквозь плотное облако атомов рубидия,
охлажденных до 40 микроградусов по шкале
Кельвина, что всего на 40 миллионных долей
градуса выше абсолютного нуля температур.
Такое облако обычно непрозрачно для света,
но интенсивный лазерный луч производит
эффект EIT — позволяет фотонам распространяться
с небольшой скоростью переводя атомы
в возбужденное состояние.
Сильное взаимодействие между
близлежащими атомами рубидия — состояние
Ридберга — не дает второму фотону возбуждать
атомы, если первый все еще находится в
облаке. Авторы открытия сравнивают свою
систему с песочными часами, пропускающими
через сужение только отдельные песчинки.
Сфокусированный в одну точку луч лазера
преобразуется на выходе в последовательную
цепочку индивидуальных фотонов.
Эта техника может использоваться,
чтобы переключать состояние атомов при
помощи фотонов, а затем считывать эти
измененные состояния вторым лазерным
лучом. Таким образом, впервые предоставляется
возможность регистрировать индивидуальные
оптические фотоны не уничтожая их. Помимо
однофотонных переключателей, технология
может найти применение в квантовых логических
затворах, что позволит реализовать высокоэффективные
и защищенные от взлома полностью оптические
системы квантовой обработки и передачи
информации.
Излучатель одиночных фотонов
(или однофотонный излучатель) — это абсолютный
предел миниатюризации излучателей света.
Определим, что он представляет собой:
излучатель одиночных фотонов — это фотонный
источник, в котором под действием управляющего
сигнала (и только под действием этого
сигнала) излучается один (и только один)
фотон. Излучение ИОФ характеризуется
неклассической суб-пуассоновской статистикой,
а идеальный излучатель одиночных фотонов
генерирует однофотонные фоковские состояния
(световой поток с нулевым шумом). ИОФ может
быть реализован только на основе изолированной
квантовой системы: одиночного атома,
молекулы, искусственного атома (полупроводниковой
квантовой точки). Создание эффективных
ИОФ представляет собой сложнейшую научно-техническую
проблему, включающую в себя решение трёх
задач: локализации, изоляции квантовой
системы; эффективной накачки изолированной
квантовой системы; сбора излучения.
Однофотонные излучатели испускают одну
частицу света (фотон) за раз и этим отличаются
от лазеров, которые выпускают сразу целый
поток. Такие устройства имеют решающее
значение для квантовой криптографии,
призванной защищать конфиденциальные
данные с помощью так называемого эффекта
наблюдателя: подслушивание спутывает
передаваемую информацию, и злоумышленник
не может воспользоваться ей. Это объясняется
тем, что в квантовом мире наблюдение за системой
всегда вызывает ее изменение.
Излучатель представляет собой один
нанопровод из нитрида галлия с очень маленькой
областью из нитрида индия-галлия, которая
функционирует как квантовая точка – наноструктура,
генерирующая бит информации. В двоичном
коде традиционных компьютеров бит –
это 0 или 1. Квантовый бит может принимать
либо одно из этих значений, либо оба сразу.
Полупроводниковые материалы, из которых
выполнен излучатель, широко применяются
в светодиодах и солнечных ячейках. Исследователи
вырастили нанопровода на кремниевой пластине,
что позволяет осуществлять производство
излучателей в крупных масштабах, поскольку
кремний – основа современной электроники,
и подходящая инфраструктура уже существует.
Устройство работает за счет электричества,
а не света – это еще один аспект, который
делает его более практичным. А все фотоны,
которые оно испускает, обладают одним
уровнем линейной поляризации, тогда как другие
однофотонные излучатели выдают частицы
света со случайной поляризацией. Новинка
работает при низких температурах, но исследователи
уже трудятся над тем, чтобы приблизить
уровень температуры к комнатному.
Излучатели одиночных фотонов
могут найти применение в системах квантовой
криптографии и квантовых вычислений.
Они также необходимы для прецизионной
спектроскопии и создания эталонов оптической
мощности. К настоящему моменту однофотонное
излучение (с оптической лазерной накачкой)
продемонстрировано на целом ряде объектов:
одиночных атомах и ионах, одиночных молекулах,
центрах окраски и одиночных полупроводниковых
квантовых точках. Достоинством полупроводниковых
квантовых точек является возможность
создания излучателя одиночных фотонов
с токовой накачкой в виде сверхминиатюрного
светодиода, т.е. полностью твердотельного
компактного излучателя. Такой излучатель
реализован в Институте физики полупроводников
СО РАН совместно с берлинским Институтом
физики твердого тела (ФРГ). ИОФ содержит
брэгговский вертикальный микрорезонатор,
который используется для увеличения
внешней квантовой эффективности, и слой
квантовых точек InGaAs низкой плотности.
На одном квадратном микроне в среднем
размещается одна квантовая точка. Инжекция
тока в слой с квантовыми точками осуществляется
через оксидную апертуру с субмикронным
внутренним диаметром, что обеспечивает
токовое возбуждение лишь одной квантовой
точки. Спектр излучения содержит единственную
узкую линию, отвечающую рекомбинации
экситона, локализованного в одиночной
квантовой точке.
Таким образом, все три задачи
по созданию эффективного ИОФ, сформулированные
выше, удается решать в рамках полупроводниковых
нанотехнологий. Анализ статистики фотонов
разработанного излучателя демонстрирует,
что вероятность двухфотонного излучения
в заданный интервал времени близка к нулю.
Использование брэгговского вертикального
микрорезонатора позволяет существенно
увеличить внешнюю квантовую эффективность
излучателя (до уровня ~ 30 %) и значительно
уменьшить время спонтанной эмиссии экситона
квантовой точки за счет эффекта квантовой
электродинамики — эффекта Парселла. Фактор
Парселла для разработанного микрорезонатора
составляет ~ 2,5, что обеспечивает большее
быстродействие излучателя в 2–2,5 раза. Излучатель
одиночных фотонов относится к числу первых
полупроводниковых оптоэлектронных приборов,
принцип работы которых основан на эффектах
квантовой электродинамики резонаторов.
Уменьшение времени спонтанной эмиссии
экситона квантовой точки за счет эффекта
Парселла с ~ 1 нс до ~ 0,4 нс позволило поднять
быстродействие ИОФ до рекордно высокого
уровня 1 ГГц.
Однофотонные источники труднореализуемы.
Поэтому сегодня большинство систем полагаются
на слабые лазерные импульсы. Обыкновенные
лазерные импульсы, например от полупроводниковых
лазеров, настраиваются так, чтобы в среднем
получалось менее одного фотона за импульс.
Проблема в таком подходе состоит в том,
что существует значительная вероятность
того, что за импульс будет высвечено два
или более фотона, если только среднее
число фотонов не сделать значительно
меньшим единицы. Количество фотонов в
импульсе подчиняется статистике Пуассона,
которая например означает, что если среднее
число фотонов в импульсе равно 0.1, то вероятность
не найти ни одного фотона составит 0.9048,
вероятность обнаружить один фотон составит
0.0905, а вероятность нахождения двух или
более фотонов будет 0.0047. Если Алиса будет
излучать импульсы, содержащие более одного
фотона, то Ева сможет перехватить и сохранить
один из фотонов импульса до того как будет
объявлен базис. Затем она может выполнить
совершенное измерение в этом базисе и
изучить битовое значение кубита, отсылавшегося
Бобу. Из-за этого, наличие многофотонных
импульсов снижает пропускную способность
при создании секретного ключа. Количество
многофотонных импульсов по сравнению
с однофотонными может быть снижено путём
снижения среднего количества фотонов,
однако когда среднее количество фотонов
мало, это означает, что большинство битслотов
остаются пустыми, что также приводит
к снижению битрейта. В принципе, последнее
может быть компенсировано увеличением
уровня импульсов. Однако, остаётся другой
недостаток, такой как тёмные щелчки (ошибочно
детектируемые события), которые являются
значительными в однофотонных детекторах.
В результате по мере роста соотношения
сигнал-шум, возрастает и битрейт квантовых
ошибок, в то время как снижается среднее
число фотонов.
Идеальный источник фотонов
— это устройство, которое испускает по
требованию одиночный фотон. Несмотря
на сообщения о прогрессе, практические
устройства так до сих пор и недоступны
Несмотря на это, практические
операции на десятки километров были осуществлены
с использованием слабых источников единичных
фотонов. Также существуют продвинутые
протоколы, которые позволяют безопасную
эксплуатацию на расстояние свыше 100 км
с источником слабых лазерных импульсов.
Источники одиночных
фотонов, которые будут гарантировать
практически абсолютную безопасность
и эффективность работы квантовых сетей
связи, пытались получить разными способами,
в том числе с использованием квантовых
точек, одиночных атомов и ионов, центров
окраски и т.д. Все эти способы имеют те
или иные недостатки, в основном из-за
необходимости создания слишком сложных
установок, непригодных для массового
выпуска .
Однофотонные излучатели на квантовых
пирамидках
И
правительства, и бизнес заинтересованы
в таких каналах связи, которые в принципе
нельзя подслушать. В принципе - значит
по законам Природы, а не по недостатку
средств или компьютерных мощностей. Такую
возможность предоставляет квантовая
криптография . Для ее реализации необходимы
источники одиночных фотонов, разработку
которых правительства щедро финансируют
как из открытых, так и закрытых статей
бюджета.
Рис.
1. Изображение в сканирующем электронном
микроскопе (a) и схематическое изображение
одиночной пирамиды с квантовыми точками
(b).
Источники
https://www.pgpru.com/biblioteka/statji/quantumcryptography/technology
http://radiomaster.ru/reviews/view/728/
http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?21+573+1
http://ko.com.ua/odnofotonnyj_izluchatel_stal_realnostyu_65215