Фізики навчилися генерувати поодинокі фотони за допомогою інтегрального джерела з нітриду галію. Розроблене ними джерело дає змогу отримувати однакові поодинокі фотони, що дуже важливо для його інтеграції в квантові чипи, а властивості нітриду галію дали змогу збільшити діапазон довжин хвиль фотонів, що вилітають, порівняно з кремнієм. Роботу опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Разом зі збільшенням кількості кубітів у квантових обчислювачах відбувається і їхня мініатюризація: вчені намагаються зробити процесори якомога меншими і з’єднати їх з іншими елементами системи. Оптимальне рішення, яке підходить для будь-яких платформ (фотонів, іонів, надпровідників, NV-центрів) – використовувати напівпровідникові чіпи. Вони хороші не тільки своїми розмірами, а й тим, що технологія їхнього виробництва добре розвинута, тому можна отримувати складні структури і розміщувати на одному чіпі не тільки процесор.
У разі, наприклад, обчислень на фотонах, разом із процесором на чипі може розташовуватися і джерело одиночних фотонів – такі джерела називають інтегральними. Це допомагає уникнути втрат під час транспортування фотонів від джерела до процесора і спростити всю схему обчислювача.
Інтегрувати в чип вміють два різних типи однофотонних джерел: квантові точки, які можна вирощувати методом молекулярно-променевої епітаксії, і хвилеводи з матеріалів, у яких можна спостерігати нелінійні ефекти. Найпопулярніший кандидат для других – це кремній. Незважаючи на безліч переваг, у кремнії добре поширюється дуже маленький діапазон довжин хвиль (вузьке вікно прозорості). На відміну від кремнію, нітрид галію і всі напівпровідники типу A3B5 (сполуки елементів 3 і 5 груп таблиці Менделєєва) – прямозонні, а тому їх можна використовувати у великому діапазоні довжин хвиль.
Команда фізиків під керівництвом Цян Чжоу (Qiang Zhou) з Інституту електроніки та науки Китаю вперше продемонструвала інтегральне джерело одиночних фотонів у нітриді галію. Генерація фотонів у такому джерелі відбувається завдяки чвертьхвильовому змішанню, а довжини хвиль вилітають фотонів лежать в оптичному С-діапазоні (1530-1565 нанометрів).
- Глобальні показники народжуваності знизилися вдвічі за 60 років
- Розмір зіниці тісно пов’язаний з інтелектом людини
- “Епоха постправди” почалася за чверть століття до соцмереж
Крім прямозонності у нітриду галію є ще одна перевага – його кристалічний осередок не має центральної симетрії, тому в ньому можна спостерігати нелінійності і другого, і третього порядку. Це означає, що можна перетворювати один фотон накачування на два заплутаних фотони на виході (задіяти три фотони – за це відповідає другий порядок нелінійності) або накачувати його двома різними фотонами і на виході отримувати теж два (процес із чотирма фотонами – третій порядок). До речі, в нітриді галію вже реалізовували нелінійний процес другого порядку, тільки навпаки – з двох фотонів накачування отримували один. Такий процес називають генерацією другої гармоніки або подвоєнням частоти.
Автори використовували чвертьхвильове змішання – з двох вхідних фотонів отримували два інших заплутаних. Для цього вони епітаксіально вирощували шар нітриду галію на підкладці з сапфіра і формували в ньому мікрокільця радіусом у 6 мікрометрів, шириною 2,25 мікрометра і висотою 0,75 мікрометра. Такі розміри дали змогу позбутися небажаної дисперсії та генерувати вихідні фотони у великому діапазоні довжин хвиль.
Усі елементи системи з’єднували за допомогою оптичних волокон, а на вході та виході чипа стояли спектральні ущільнювачі каналів, які допомогли вирізати потрібну довжину хвилі від лазера накачування і позбутися паразитних ефектів, які виникають на стиках волокон. Після очищення накачування випромінювання потрапляло в чип через лінзоване волокно, що дає змогу зменшити втрати вводу-виводу – вони склали 85 відсотків (для використовуваної технології це хороший показник).
Характеристику джерела автори проводили стандартними методами: перевіряли, чи справді вихідний сигнал однофотонний, слідкували за тим, наскільки однаковими виходять фотони, і за тим, як багато фотонів вдається випромінити за секунду. На виході з джерела народжуються пари фотонів із різними довжинами хвиль у великому діапазоні – тобто можуть народитися два фотони, довжина хвилі одного 1544,80 нанометра, а іншого 1555,44 нанометра, або такі, що в одного довжина хвилі 1529,11 нанометра, а в іншого 1571,69 нанометра. Фізики розглядали сім таких різних пар і з’ясували, що можуть генерувати їх із приблизно однаковою швидкістю, але інші параметри в них різняться істотно – у найкращому разі їм удалося отримати нерозрізнюваність між фотонами в парі до 95 відсотків, а сам сигнал із імовірністю 99 відсотків був однофотонним.