В отличие от нелинейных кристаллических источников, это полупроводниковое устройство способно генерировать пары фотонов из одного квантового излучателя.
За последнее десятилетие исследователи добились успехов в создании устройств, излучающих одиночные фотоны по требованию, что является ключевым элементом квантовых вычислений. Однако надежное получение ровно двух фотонов одновременно по-прежнему остается сложной задачей.
Теперь исследователи в Китае разработали устройство, которое работает практически как миниатюрная фабрика по производству фотонных пар. В экспериментах 98,3 процента излучаемого этим устройством света представляли собой фотонные пары, что является одним из самых чистых результатов, когда-либо достигнутых с помощью твердотельного устройства.
Пары фотонов имеют огромную ценность, поскольку они могут быть коррелированными или запутанными, то есть вести себя как синхронизированные партнеры.
Например, «запутанные двухфотонные системы остаются вечно синхронизированными как во времени, так и в энергии. Это свойство оказывается бесценным для точных измерений и квантовой визуализации», — сказал SCMP Чжилян Юань, один из авторов исследования и главный научный сотрудник Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS).
Более того, такие пары могут обеспечить сверхзащищенную связь, более точные квантовые датчики и передовые методы медицинской визуализации.
Продемонстрировав один из самых эффективных твердотельных источников двухфотонных возбуждений, исследователи приблизили квантовую фотонику на шаг к практическому применению.
Создать два фотона одновременно оказалось невероятно сложно.
Получение пар фотонов от одного излучателя — сложная задача. Традиционные источники пар фотонов основаны на нелинейных кристаллах, где мощный лазерный фотон расщепляется на два фотона с более низкой энергией.
Несмотря на широкое применение, «нелинейные кристаллические источники света по своей природе являются вероятностными, иногда излучая одну пару, иногда две пары или даже несколько пар», — сказал Юань. Эта случайность вносит шум и снижает эффективность.
Ученые надеялись, что полупроводниковые квантовые точки (крошечные полупроводниковые частицы, которые часто называют искусственными атомами) смогут решить эту проблему. При возбуждении светом эти наноструктуры испускают фотоны, а электроны возвращаются в состояния с более низкой энергией.
Теоретически, квантовая точка может испускать два фотона посредством процесса, называемого биэкситон-экситонным каскадом, при котором два возбужденных электрона рекомбинируют один за другим.
Однако на практике этот процесс редко работает хорошо. Как только отдельный электрон в квантовой точке возбуждается, он обычно немедленно испускает фотон и релаксирует, препятствуя формированию двухэлектронного состояния, необходимого для каскада.
В результате, надежное получение пар фотонов из одной квантовой точки остается чрезвычайно сложной задачей.
Превращение темного состояния в генератор пар фотонов
Для преодоления этого ограничения в недавно разработанном устройстве одиночная квантовая точка помещается внутрь микроскопической оптической полости в виде столбика — структуры тоньше человеческого волоса, которая улавливает и улучшает излучение света.
Полость усиливает этот процесс за счет эффекта Пурселла, который увеличивает скорость излучения фотонов. Ключевым нововведением стало управление квантовой точкой в долгоживущем квантовом состоянии, называемом темным экситоном.
Проще говоря, это состояние ведет себя как временная комната ожидания, которая не склонна легко излучать свет. Вместо того чтобы немедленно испустить фотон, возбужденный электрон может оставаться в этом состоянии достаточно долго, чтобы прибыл другой электрон.
Исследователи использовали тщательно настроенные лазерные импульсы и метод, известный как поляризационно-селективное возбуждение p-оболочки, чтобы направить электроны в это темное состояние. Как только два электрона одновременно занимают квантовую точку, они образуют биэкситонное состояние.
Затем это состояние распадается в результате двухступенчатого каскада, испуская два фотона с высокой скоростью. Поскольку квантовая точка находится внутри оптического резонатора, излучение также может усиливаться за счет стимулированных двухфотонных процессов, что еще больше увеличивает корреляцию между фотонами.
Результаты оказались поразительными. Эксперименты показали, что 98,3% собранного света представляли собой пары фотонов. Эффективность генерации пар достигла 29,9%, что является одним из лучших показателей, когда-либо зарегистрированных для подобных систем.
Измеренное значение двухфотонной корреляции g²(0) составило около 3,97, что указывает на сильное парное излучение. В целом, 98,3 процента испущенных фотонов принадлежали парам. Другими словами, система фактически ведет себя как крошечная двухфотонная фабрика, выпуская парные фотоны с исключительной чистотой.
«Используя путь из темного состояния для заселения биэкситонов в микрорезонаторе квантовой точки, удалось получить яркие пары фотонов высокой чистоты, что открывает перспективный путь к созданию практических двухфотонных источников», — отмечают авторы исследования.
Технологии должны совершенствоваться.
Несмотря на впечатляющие характеристики, устройство всё ещё имеет ограничения. В настоящее время оно работает при чрезвычайно низких температурах, ниже 10 кельвинов, что близко к условиям жидкого гелия.
Для практического применения ученые надеются снизить рабочую температуру до уровня жидкого азота (выше 77 кельвинов), что значительно упростит и удешевит внедрение этой технологии.
Теперь исследователи планируют еще больше улучшить качество фотонных пар и изучить новые материалы, которые могли бы обеспечить работу при более высоких температурах. В случае успеха их работа может приблизить к реальности создание практических источников фотонных пар по требованию.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Sourse: interestingengineering.com
