Разгон до сотен терагерц: улучшены параметры самого яркого источника одиночных фотонов

Ведущие американские (Purdue University, John Hopkins University) и российские (НОЦ ФМН) ученые в области нанофотоники нашли способ увеличения скорости эмиссии однофотонных источников до новых рекордных значений – сотни ТГц при эффективности излучения близкой к 100%. Полученные результаты открывают путь к практическому использованию разработанных излучателей в системах квантовых коммуникаций и вычислений.

Квантовые технологии, включая квантовые компьютеры, квантовые коммуникации и квантовую сенсорику – одна из наиболее стремительно развивающихся областей исследований последних лет. От Москвы до Маунтин-Вью – ученые всего мира выясняют, как использовать уникальные свойства квантовой физики для создания устройств, которые могут быть намного более эффективными, быстрыми, защищенными и чувствительными, чем существующие сегодня.

Фотоника как наука управления светом обеспечивает элементную базу и для квантовых вычислений, и коммуникаций. Ключевыми элементами интегральной фотонной схемы выступают источники, генерирующие одиночные фотоны, интегральная схема на базе субмикронных волноводов, в которых происходит управляемое парное взаимодействие фотонов (что и дает возможность проводить квантовые вычисления), и однофотонные детекторы. Все элементы должны быть изготовлены из почти идеальных материалов настолько совершенно, чтобы не потерялся ни один фотон. При этом однофотонные источники нужно сделать быстрыми (от скорости излучения фотонов и качества эмиссии напрямую зависит расстояние и скорость квантовой передачи зашифрованной информации), компактными и интегрируемыми на чип, а также не требующими специальных температурных условий.

В 2018 году команда исследователей из Университета Пардью и НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы совершила настоящий прорыв, создав работающий при комнатной температуре однофотонный источник с самой большой скоростью излучения – 35 млн одиночных фотонов в секунду. Ключом к успеху стало усиление излучения фотонов плазмонными наноструктурами на основе монокристаллического серебра с рекордно низкими оптическими потерями, созданного с использованием разработанной в НОЦ ФМН SCULL-технологии.

«Фотонный источник, который удалось разработать нашим коллегам из США, состоит из наноалмаза с NV-центром (азото-замещённая вакансия – один из точечных дефектов алмаза) и плазмонной наноструктуры в виде серебряного куба размером около 100 нм, лежащего на серебряной кристаллической подложке. Каждая такая структура содержит в себе два ключевых оптических элемента: резонатор и антенну. Резонатор необходим для увеличения скорости фотонной эмиссии NV-центра, а антенна – для эффективного излучения эмиссии в воздух. Высокую скорость излучения фотонов обеспечили серебряные подложки непревзойденного качества, изготовленные в нашем центре. Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимального режима работы однофотонного источника с сохранением максимальной яркости излучения», – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН.

Рекордное увеличение скорости генерации фотонов в источнике достигается благодаря значительному усилению взаимодействия света с NV-центром, которое обеспечивается качеством плазмонных наноструктур из серебра. Комплексное математическое моделирование, проведенное под руководством д-ра Якова Хургина (Jacob Khurgin, John Hopkins University), одного из ведущих мировых экспертов в области нанофотоники, определило фундаментальные пределы усиления квантового излучения в таких системах. Ученые установили, что наилучшие рабочие характеристики источника достигаются в случае, когда оптические размеры резонатора и антенны существенно различаются.

Полный текст интервью здесь.