Ловись, фотон, большой и маленький. Как с помощью лазера и капли йода построить сверхнадёжный интернет

Управление одиночными фотонами в обычных условиях долгое время оставалось технически сложной задачей. Несмотря на то, что свет активно используется в телекоммуникациях, возможность точно контролировать его квантовые свойства открывает путь к новым уровням безопасности передачи данных. Особенно это важно для квантовой связи, где требуется строго одиночная эмиссия фотонов — без спонтанных всплесков и фонового излучения.

Группа специалистов из Японии представила способ, позволяющий добиться такого эффекта с помощью углеродных нанотрубок. Эти наноструктуры давно рассматривались как перспективные кандидаты для источников одиночных фотонов: они излучают свет при комнатной температуре и на тех же длинах волн, что используются в оптоволоконных сетях. Однако до сих пор не удавалось точно управлять местом и количеством участков излучения вдоль нанотрубки, из-за чего излучение оставалось непредсказуемым.

Решение предложили сотрудники научной группы под руководством Хироси Като. Они подвесили отдельную нанотрубку над узким микропроёмом, чтобы обеспечить доступ к её поверхности. Затем нанотрубка подвергалась воздействию паров йодбензола — вещества, способного вступать в реакцию с углеродом. Ключевым этапом стало точечное облучение нанотрубки ультрафиолетовым лазером: под его воздействием в строго определённой точке возник дефект кристаллической решётки.

Такой дефект, называемый центром окраски, представляет собой квантовую ловушку для экситонов — связанных пар электронов и дырок. Энергия, высвобождаемая в результате их рекомбинации, излучается в виде строго одного фотона. Чтобы не допустить образования нескольких таких центров, команда постоянно отслеживала спектр фотолюминесценции. При первых признаках изменения излучения процесс немедленно останавливался. Такой подход позволил получить стабильный одиночный источник фотонов с точностью позиционирования до микрометра.

Кроме того, лазер можно перемещать, выбирая место создания центра окраски, что открывает перспективы промышленного изготовления масштабируемых фотонных устройств. По мнению авторов исследования, это решение может лечь в основу создания квантовых схем нового поколения, способных работать при комнатной температуре и интегрироваться в уже существующую телекоммуникационную инфраструктуру.

В дальнейших планах — переход к созданию фотонных чипов с такими нанотрубками. Следующим шагом станет разработка устройств, которые можно будет напрямую подключать к оптическим сетям и производить в промышленных масштабах.