В МФТИ нашли способ сделать алмаз идеальным средством квантовой связи

Учёные из МФТИ и Национального оптического института (Италия) разобрались, чем лучше всего заменить современные однофотонные источники для квантовой связи и будущих квантовых компьютеров. Новинка не только не нуждается в охлаждении, но и наоборот — лучше работает при перегреве. Соответствующая статья опубликована в New Journal of Physics.

Для квантовой связи и квантовых компьютеров идеальными носителями информации являются фотоны — они быстро распространяются. Им несложно придать нужное квантовое состояние. Однако для этого необходимо, чтобы источник таких фотонов выдавал их строго по одному за такт. Это могут сделать квантовые точки, но их свойства резко снижаются при нагреве. Охлаждение жидким гелием или азотом делает такое решение непрактичным. Есть другой вариант — внести в кусочек технического алмаза преднамеренный дефект, например атом фосфора. Однако пока производительность таких однофотонных источников была очень слаба, особенно если использовалась электрическая накачка. При этом она удобнее всего для работы — с ней получить один фотон в нужное время можно просто приложив к алмазу слабый ток.

Дмитрий Федянин и Марио Аджио теоретически проанализировали дефекты кристаллической решётки алмаза и нашли способ сделать на их основе сверхъяркие и эффективные однофотонные квантовые излучатели. В основе нового способа лежит эффект электролюминесценции: ток электронов через центр окраски (посторонний атом) в дефекте кристаллической решётки алмаза заставляет его (дефект) испускать по одному фотону за такт. Ранее сделать эффективные излучатели такого типа не удавалось, потому что использованный для создания дефектов процесс легирования алмаза фосфором технологически сложен. Чисто технические ошибки в его реализации не позволяли создать достаточную концентрацию электронов проводимости в дефектном кристалле алмаза. Тем не менее авторы работы показали, что эта технологическая проблема вполне разрешима.

Их расчёты прояснили и скорость генерации одиночных фотонов на основе фрагментов алмазов с дефектами. Как оказалось, при комнатной температуре каждый такой квантовый источник может отправлять до 100 000 фотонов секунду. Совершенно неожиданно расчёты показали, что если температуру поднять до 200 градусов, скорость работы источника поднимется до 100 миллионов фотонов в секунду. Это намного больше, чем требуют любые мыслимые на сегодня способы квантовой связи или существующие квантовые компьютеры.

Современные системы квантовый связи используют ослабленные лазеры, которые далеко не всегда выдают именно один фотон, что резко нарушает защищённость системы от перехвата информации. Также от квантовых точек новые электролюминисцентные источники отличаются в лучшую сторону полным отсутствием необходимости в охлаждении.