Наконец найдена защита для линий квантовой связи!
3 мин чтения
Наконец найдена защита для линий квантовой связи!

Исследователи из Московского физико-технического института и Университета Зигена (Германия) объяснили механизм генерации одиночных фотонов

Работа устройств на основе одиночных фотонов позволит создавать принципиально новые устройства для коммуникаций и вычислений, начиная от аппаратных генераторов истинно случайных чисел до квантовых компьютеров. Пожалуй, самой востребованной квантовой технологией сегодня стала квантовая связь. Методы квантовой криптографии, опирающиеся на законы квантовой физики, позволят защищать передаваемые данные так, что их невозможно будет перехватить даже злоумышленнику со сверхмощным квантовым компьютером! Однако практическая реализация линий квантовой связи и других квантовых устройств требует управляемой генерации одиночных фотонов.

С практической точки зрения необходимо, чтобы источники одиночных фотонов работали при комнатной температуре и от электрической накачки, то есть, проще говоря, в нормальных условиях и от батарейки, но соблюсти их оказалось крайне сложно.

Во-первых, все квантовые системы не любят высоких температур: для их охлаждения требуется криостат, охлаждающий их по крайней мере до температуры жидкого гелия, а то и ещё ниже — до нескольких милликельвинов, что составляет приблизительно −273 градуса по шкале Цельсия.

Использование таких установок физиками сейчас дело обычное, но едва ли в ближайшее время удастся создать подобный холодильник стоимостью в несколько долларов! А значит, стоит забыть о массовом использовании квантовых систем.

Во-вторых, сама концепция квантовых систем подразумевает, что они практически не взаимодействуют с окружающим миром. Примером такой системы служит одиночный атом в камере с разреженным газом. Но, несмотря на то, что его взаимодействие с окружающей средой практически отсутствует, физики могут управлять его электронными состояниями, облучая камеру лазером и тем самым заставляя атом излучать одиночные фотоны. Однако электрически накачивать такую квантовую систему не представляется возможным.

Активные исследования в области квантовой оптики и квантовой электроники в последние два десятилетия показали, что не только атомам газов, но даже полупроводниковым структурам, таким как квантовые точки, не под силу справиться с задачей регулярной работы от электрической накачки при комнатной температуре.

Выходом из сложившейся тупиковой ситуации неожиданно стал алмаз — материал с необычными свойствами на стыке полупроводников и диэлектриков. Оказалось, что центры окраски алмаза — точечные дефекты в кристаллической решётке, возникающие при случайном попадании или направленной имплантации в алмаз посторонних атомов — могут выступать в роли квантовых систем и показывать превосходные излучательные характеристики! Более того, удалось продемонстрировать, что при пропускании тока эти квантовые системы могут излучать одиночные фотоны. Однако физика происходящего процесса до настоящего времени была неизвестна.

А теперь этот механизм раскрыт. Оказалось, его можно разделить на три этапа: 1) захват электрона центром окраски, 2) захват дырки(незаполненной валентной связи, проявляющей себя как положительный заряд, равный заряду электрона, или, что то же самое - отдача электрона), 3) переход между электронными уровнями в центре окраски, которые вместе формируют механизм, похожий на принцип действия револьвера.

Представим, что излучение одиночного фотона – это выстрел из револьвера. Чтобы выстрелить, нужно сначала взвести курок (дефект в алмазе должен захватить электрон). Затем нужно нажать на спусковой крючок. Это запускает спусковой механизм, и боёк (передний заострённый элемент курка), обретя импульс, ударяет по капсюлю патрона. Именно этому поступательному ходу бойка, обратному ходу спускового крючка, и соответствует захват дырки центром окраски в алмазе. Далее заряд в капсюле взрывается, поджигает порох и под действием пороховых газов вылетает пуля. Аналогичным образом дырка в центре окраски испытывает переходы между возбуждёнными уровнями и основным уровнем, в результате чего происходит эмиссия фотона. Затем всё повторяется по тому же сценарию за одним лишь исключением: нам не нужен новый патрон, центр окраски может излучать по одному за раз сколько угодно фотонов!

На практике очень важно получать фотоны именно в моменты времени, когда они нужны, поскольку после генерации фотоны сразу улетают со скоростью света. «Вспомните ковбойские дуэли в вестернах. Два стрелка начинают стрелять друг в друга строго по бою часов. Побеждает тот, кто выстрелит первым, цена промедления ­- жизнь. Точно так же для квантовых устройств жизненно важно генерировать фотоны «по требованию» в строго определённые моменты времени», — уточнил один из авторов исследования Дмитрий Федянин.

В своей работе учёные установили, что определяет время отклика алмазного однофотонного источника и какова для него вероятность испустить ещё один фотон через строго определённое время после испускания первого. Оказалось, этими временными интервалами можно управлять и на порядки улучшать их как путём изменения характеристик алмаза, например при помощи легирования (введения в него атомов примесей), так и контролируя концентрации запущенных в алмаз носителей заряда. Кроме того, по словам Дмитрия Федянина, помещая центр окраски в разных областях алмазного диода, можно управлять начальным состоянием центра окраски подобно тому, как стрелки снимают револьвер с предохранителя. Результаты этой работы открывают путь к созданию быстрых однофотонных источников для квантовых линий связи и квантовых компьютеров будущего.

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос Опята оказались самыми большими серийными убийцами в мире Далее в рубрике Опята оказались самыми большими серийными убийцами в миреУченые установили, что опята обладают уникальными генами, которые делают их настоящими «серийными убийцами» деревьев Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Загрузка...
История, политика и наука с её дронами-убийцами
Читайте ежедневные материалы на гуманитарные темы. Подпишитесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»