Задача, стоящая перед учеными, — создать искусственные источники фотонов для различных задач квантовой информации. Одна из самых больших проблем — это разработка эффективных масштабируемых источников фотонов, которые можно установить на микросхеме и работать при комнатной температуре. Большинство источников, используемых сегодня в лабораториях, должны быть очень холодными (при температуре жидкого гелия около -270 ° C), что требует больших и дорогих холодильников. Многие источники также испускают фотоны в неопределенных направлениях, что затрудняет эффективный сбор.
Теперь группа ученых из Еврейского университета в Иерусалиме продемонстрировала эффективный и компактный источник одиночных фотонов, который может работать на микросхеме при температуре окружающей среды. Используя крошечные нанокристаллы из полупроводниковых материалов, ученые разработали метод, с помощью которого один нанокристалл можно точно расположить поверх специально разработанной и тщательно изготовленной наноантенны.
Точно так же, как большие антенны на крышах домов направляют излучение классических радиоволн для сотовых и спутниковых передач, наноантенна эффективно направляет одиночные фотоны, испускаемые нанокристаллами, в четко определенном направлении в пространстве. Это комбинированное устройство нанокристаллы-наноантенна способно генерировать высоконаправленный поток одиночных фотонов, летящих в одном направлении с рекордно низким углом расходимости. Затем эти фотоны собирались с помощью очень простой оптической установки и отправлялись на обнаружение и анализ с помощью детекторов одиночных фотонов.
Команда продемонстрировала, что это гибридное устройство увеличивает эффективность сбора одиночных фотонов более чем в 10 раз по сравнению с одним нанокристаллом без антенны, без необходимости использования сложных и громоздких оптических систем сбора, используемых во многих других экспериментах. Экспериментальные результаты показывают, что почти 40% фотонов легко собираются с помощью очень простого оптического устройства, и более 20% фотонов излучаются в очень низкую числовую апертуру, что в 20 раз больше, чем у отдельно стоящей квантовой точки, и с помощью вероятность более 70% для излучения одного фотона.
Чистота одиночных фотонов ограничена только излучением металла, препятствие, которое можно обойти с помощью тщательного проектирования и изготовления.Антенны были изготовлены с использованием простых металлических и диэлектрических слоев с использованием методов, совместимых с современными технологиями промышленного производства, и многие такие устройства могут быть изготовлены плотно на одном маленьком кристалле.
Сейчас команда работает над новым поколением улучшенных устройств, которые позволят детерминированно производить одиночные фотоны прямо из чипа в оптические волокна, без каких-либо дополнительных оптических компонентов, с эффективностью, близкой к единице.«Это исследование прокладывает многообещающий путь к высокочистому, высокоэффективному встроенному источнику одиночных фотонов, работающему при комнатной температуре, — концепции, которая может быть распространена на многие типы квантовых излучателей.
Высоконаправленный источник одиночных фотонов может привести к значительному прогресс в создании компактных, дешевых и эффективных источников квантовых информационных битов для будущих приложений квантовой технологии ", — сказал профессор Ронен Рапапорт из Института физики Рака, Департамента прикладной физики и Центра нанонауки и нанотехнологий на иврите. Иерусалимский университет.