Единични фотони от изследователски екип за силициеви чипове разработиха нов източник за
Родословно дърво на Млечния път
Напълно интегриран контрол на нанодиамантите
Малко по-близо до слънцето
Разстояния от звезди
Какво кара звездите да блестят
Еднопосочна улица за електрони
Стотици копия на Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica намерени при ново преброяване
Слънчевата ни система се формира за по-малко от 200 000 години
Здравословно за Марс
Единични фотони от силициевия чип: изследователският екип разработва нов източник за квантови светлинни частици
Новини за физиката от 15.09.2020 г. квантова оптика
Квантовата технология е много обещаваща: след няколко години квантовите компютри са настроени да революционизират търсенията в бази данни, AI системите и симулационните изчисления. Дори и днес квантовата криптография може да гарантира трансфер на данни, който е абсолютно сигурен срещу подслушване, макар и с ограничения. Предимство е, ако новите технологии са възможно най-съвместими с предишната силициева електроника. Точно тук физиците от HZDR и TU Dresden са постигнали забележителен напредък: Екипът е проектирал източник на светлина, базиран на силиций, който генерира отделни фотони, които могат да се разпространяват добре в стъклени влакна.
Квантовата технология се основава на възможно най-точен контрол на поведението на квантовите частици, например чрез заключване на отделни атоми в магнитни капани или изпращане на отделни леки частици - така наречените фотони - през стъклени влакна. Последното е в основата на квантовата криптография, вид комуникация, която по същество е сигурна срещу подслушване: Ако крадецът на данни прихване фотоните, той неизбежно унищожава техните квантови свойства. Но това не остава скрито за подателите и получателите на съобщението - те могат своевременно да прекъснат предаването, което е станало несигурно.
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. Astakhov Изолация на телеком еднофотонни излъчватели в силиций за мащабируема квантова фотоника Optics Express, 2020
Това изисква източници на светлина, които доставят отделни фотони. Такива системи вече съществуват, особено тези, базирани на диаманти. Те обаче имат един недостатък: „Тези диамантени източници могат да генерират само фотони с честоти, които не са подходящи за оптично предаване“, обяснява физикът от HZDR д-р. Георги Астахов. „Това е значително ограничение за практическа употреба.“ Така Астахов и неговият екип се заеха с друг материал - изпитаният електронен основен материал силиций.
100 000 единични фотони в секунда
За да получат материала за генериране на инфрачервените фотони, необходими за оптична комуникация, експертите го подложиха на специална обработка: Използвайки ускорител от центъра на йонния лъч HZDR, те изстрелват въглерод в силиция целенасочено. Това създаде така наречените G-центрове в материала - два съседни въглеродни атома, които заедно със силициев атом образуват един вид изкуствен атом.
Ако този изкуствен атом е облъчен с червена лазерна светлина, той излъчва желаните инфрачервени фотони с дължина на вълната 1,3 микрометра - честота, която е изключително подходяща за оптично предаване. „Нашият прототип може да генерира 100 000 отделни фотона в секунда“, съобщава Астахов. „И работи стабилно, дори след няколко дни непрекъсната работа не забелязахме влошаване.“ Системата обаче работи само при силен студ - физиците трябва да използват течен хелий, за да го охладят до температури от минус 268 градуса по Целзий.
„Успяхме да покажем за първи път, че е възможен еднофотонен източник, базиран на силиций“, казва колегата на Астахов д-р. Йондер Беренсен. „Това всъщност прави възможно интегрирането на такива източници с други оптични компоненти на чип.“ Наред с други неща, струва си да се свърже новият източник на светлина с така наречения резонатор. Това може да реши следния проблем: Досега инфрачервените фотони са дошли от източника случайно. За да се използва в квантовата комуникация обаче, би било необходимо да може да се генерират специално фотони при поискване.
Източник на светлина върху чип
Изследователите биха могли да настроят този резонатор така, че той да достигне точно дължината на вълната на светлинния източник. Това би позволило броят на генерираните фотони да се увеличи толкова много, че да бъдат достъпни по всяко време. „Вече е доказано, че такива резонатори могат да бъдат вградени в силиций“, съобщава Беренсен. „Връзката, която все още липсваше, беше източник на силиций за отделни фотони. И точно това успяхме да приложим сега. "
Но преди да може да се мисли за практическо приложение, изследователите на HZDR все още трябва да решат редица проблеми - като например по-целенасочено производство на новите телеком източници с един фотон. „За целта искаме да се опитаме да имплантираме въглерода в силиция по-точно от преди“, обяснява Георги Астахов. „Със своя център за йонни лъчи HZDR разполага с идеална инфраструктура, за да превърне подобни идеи в реалност.“