Ученые построили фотонную пушку для квантового компьютера

Фотоника – это аналог электроники, но на основе не электронов, а частиц света – фотонов. Одной из ключевых проблем фотоники является потребность в управлении отдельными фотонами.

До сих пор ученым практически не удавалось создать устройство, которое могло бы эффективно распоряжаться единичным фотоном и подходило бы для использования в фотонике.

Датские ученые из Института Нильса Бора (подразделения Копенгагенского университета) смогли собрать «фотонную пушку», которая «выстреливает» по одному фотону за раз в нужном направлении.

Устройство состоит из оптического чипа и лазера. На чипе располагается миниатюрный фотонный кристалл шириной 10 микрометров и длиной 160 нанометров. Источником фотонов является квантовая точка, установленная в центре чипа.

Мы направляем излучение лазера на квантовую точку, где находятся атомы и электроны, двигающиеся по орбитам вокруг атомного ядра. Лазер возбуждает электроны, те «перепрыгивают» с одной орбиты на другую, и в ходе этого процесса излучают по единичному фотону. Обычно свет распространяется во всех направлениях, но мы спроектировали фотонный чип так, что каждый отдельный фотон «выстреливается» только в одном направлении.

– Ссорен Стобб (S?ren Stobbe), Институт Нильса Бора

Ученые отмечают, что устройство не только работает, но и демонстрирует высокую эффективность – точность «выстрела» достигает 98,4%.

Иллюстрация действия фотонной пушки. Квантовая точка (желтый цвет) выпускает один фотон за раз (волны красного цвета) в нужном направлении. Это достигается особой структурой чипа, в которой квантовая точка окружена дырками в полупроводниковом материале (серый цвет). Из-за этих отверстий фотоны выпускаются не во все стороны, а только в том, где дырки на полупроводнике отсутствуют. Лишь 1,6% фотонов улетают в другом направлении (это изображено в виде волны фотонов, идущей вверх), а 98,4% из них «выстреливаются» туда, куда нужно.

^{©Marta Arcari, Niels Bohr Institute}

По словам авторов исследования, разработанное ими устройство открывает «завораживающие» перспективы для фундаментальных научных экспериментов и использования в технологиях будущего. В частности, в квантовой криптографии, которая подарит миру невзламываемые шифры, а также в квантовых компьютерах, вычислительная мощь которых за счет сложных параллельных вычислений оставит современные компьютеры далеко позади.

В данный момент ученые уже занимаются патентованием компонентов своего изобретения.