Вчені створили надійні напівпровідникові джерела абсолютно ідентичним одиничним “квантовим” фотонам

Одним з елементів майбутніх квантових комп’ютерів є матриці надійних джерел одиничних фотонів, за допомогою яких кодується передана і обробляється інформація.

Більшість вчених вважають квантові точки різних типів ідеальними кандидатами на “посаду” таких джерел. Однак дослідники з університету Цукуби (University of Tsukuba), Японія, продемонстрували, що арсенід галію (GaAs), напівпровідниковий матеріал з добавками атомів деяких інших елементів, є більш надійним джерелом одиничних фотонів, ніж квантові точки будь-яких типів. Використання джерел на базі допированного арсеніду галію дозволить отримати більш чітку і визначену послідовність фотонів, при цьому, параметри фотонів, що випромінюють з одного або різних таких джерел, практично не відрізняються один від одного.

“Нам вдалося продемонструвати роботу напівпровідникового джерела одиничних фотонів, що є суттєвим кроком до розробки нових технологій квантової обробки інформації. І найдивовижнішим є те, що основою цього джерела стали звичайні і добре вивчені напівпровідники III-V групи з введеними в них додатковими домішками” – розповідає Мічіо Ікесава (Michio Ikezawa), професор з університету Цукуби, – “В цьому джерелі використовується так званий ефект накладення хвильових пакетів і за рахунок цього ефекту все що випускаються Перші фотони мають ідеально співпадає набір основних параметрів, таких, як енергія, просторова орієнтація, поляризація, час появи і т.п. ”

В якості домішки до арсеніду галію японські вчені використовували атоми азоту. Отримання цього матеріалу проводилося за участю дослідників з японського Національного інституту матеріалознавства (National Institute for Materials Science), який так само розташовується в місті Цукуба. У створених джерелах одиничних фотонів використовується новий спосіб випромінювання світла за допомогою так званих ізоелектронних пасток. Через досягнутої високої однорідності легування арсеніду галію атомами азоту на одному кристалі напівпровідникового матеріалу утворюється ціла впорядкована матриця таких пасток, кожна з яких представляє собою окремий джерело одиничних фотонів. Фотони світла з модульованим заданим чином квантовими характеристиками, “народжені” всередині ізоелектронних пасток, мають довгий час життя, протягом якого зберігаються незмінними квантові властивості цих фотонів, що само по собі є необхідним для побудови майбутніх квантових комп’ютерів.

Для перевірки повної ідентичності випромінюваних фотонів вчені використовували ефект Хонга-У-Мандела (Hong-Ou-Mandel). Два ідентичних фотона були запущені через два вхідних порту в пристрій, всередині якого було вироблено їх високоточне суміщення. Це пристрій являє собою щось на зразок інтерферометра, який вимірює ефект взаємодії між двома фотонами. При повному збігу всіх параметрів двох фотонів і закодованої в них квантової інформації при взаємодії вони повинні повністю “погасити” один одного, а пристрій-інтерферометр призначалося для вимірювання параметрів фотона, що залишився після взаємодії двох фотонів в разі наявності деяких відмінностей між характеристиками вихідних фотонів.

Використовуючи такий підхід, який є першою в історії реалізації подібного виду вимірювань, дослідники з’ясували, що фотони, що випромінюються допированного напівпровідниками III-V групи, мають набагато більш високу подібність один одному, ніж фотони, що випромінюються джерелами на основі квантових точок різних типів, які використовувалися в цьому експерименті в порівняльних цілях.

У подальших дослідженнях японські вчені намагатимуться зменшити і без того малі відмінності між випускаються фотонами. Для цього їм потрібно знайти механізм придушення деяких небажаних ефектів, які були виявлені під час першого експерименту.