Электрон научили ждать. И впервые получили свет, который квантовые компьютеры смогут использовать без ошибок

За последние годы физики научились довольно уверенно получать одиночные фотоны по требованию. Для квантовых технологий такой режим очень важен: на нём строят системы вычислений, связи и точных измерений. Но с парами фотонов всё оказалось заметно сложнее. Два кванта света, рождающиеся вместе, открывают гораздо больше возможностей, чем один, однако заставить компактный твердотельный источник стабильно работать именно в таком режиме долго не удавалось. Теперь китайские исследователи показали систему, которая почти ведёт себя как миниатюрный генератор фотонных пар.

В экспериментах 98,3% собранного излучения приходилось именно на пары фотонов. Для твердотельной платформы такой результат выглядит очень сильным. Эффективность генерации пар составила 29,9%, что относится к числу лучших значений для подобных систем. Корреляционная функция второго порядка g²(0) достигла примерно 3,97. Такой показатель обычно говорит о явном преобладании парного излучения над одиночным.

Интерес к фотонным парам связан не с эффектной лабораторной демонстрацией, а с их свойствами. Два фотона в паре могут быть сильно коррелированными или даже запутанными. Тогда оба кванта света ведут себя как согласованная система, в которой жёстко связаны время появления, энергия и другие параметры. Для квантовой оптики такая согласованность особенно важна: она помогает повышать точность измерений, развивать квантовую визуализацию, строить защищённые каналы связи и делать сенсоры чувствительнее. Медицинская визуализация тоже входит в число направлений, где подобные источники могут пригодиться.

Главная проблема долго упиралась в сам способ получения двух фотонов сразу. Чаще всего для генерации пар используют нелинейные кристаллы. В такой схеме один фотон мощного лазерного импульса распадается на 2 фотона с меньшей энергией. Подход давно известен и широко применяется, но у него есть серьёзный недостаток: процесс остаётся вероятностным. В одном импульсе система может выдать одну пару, в другом 2 пары, а иногда и больше. Для квантовых приложений такая случайность создаёт шум и мешает точному контролю.

Поэтому исследователи давно обратили внимание на полупроводниковые квантовые точки. Так называют очень маленькие полупроводниковые структуры, которые часто сравнивают с искусственными атомами. Когда внешнее воздействие переводит электроны в возбуждённое состояние, затем электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни и испускают фотоны. В теории одна квантовая точка могла бы последовательно испускать 2 фотона через каскадный процесс биэкситон-экситон. Логика здесь такая: сначала внутри системы должны одновременно оказаться 2 возбуждённых электрона, а затем оба по очереди рекомбинируют и дают 2 связанных фотона.

На практике именно этот шаг и оказался самым трудным. Первый возбуждённый электрон обычно не дожидается второго, а быстро испускает фотон и возвращается в исходное состояние. Из-за этого квантовая точка не успевает перейти в нужное двухэлектронное состояние, без которого каскад невозможен. По этой причине надёжная генерация фотонных пар из одной квантовой точки долго оставалась очень сложной задачей.

Авторы новой работы обошли это ограничение с помощью необычного промежуточного состояния. Исследователи поместили одиночную квантовую точку внутрь микроскопической оптической резонаторной структуры в форме столбика. Поперечный размер такой полости меньше толщины человеческого волоса. Микрополость удерживает свет и усиливает излучательные процессы. Здесь важен эффект Пёрселла: в подходящем оптическом окружении скорость испускания фотонов заметно возрастает. Но решающее значение имела не только геометрия резонатора, а то, что исследователи сумели перевести систему в так называемое тёмное экситонное состояние.

Тёмный экситон можно описать проще. В обычном режиме возбуждённый электрон быстро испускает фотон и теряет энергию. В тёмном состоянии такой быстрый переход затруднён, поэтому возбуждение живёт дольше. За это время в квантовую точку успевает попасть ещё один электрон. Когда внутри одновременно оказываются оба, возникает биэкситонное состояние, то есть именно та конфигурация, которая нужна для последующего каскада из 2 фотонов.

Чтобы привести систему в такой режим, исследователи использовали точно настроенные лазерные импульсы и метод поляризационно-селективного возбуждения p-оболочки. Такой подход направляет электронную динамику в тёмное состояние вместо быстрого однофотонного распада. Затем система переходит в биэкситон и распадается в 2 шага, почти подряд испуская 2 фотона. Поскольку квантовая точка находится внутри оптической микрополости, двухфотонное излучение дополнительно усиливается стимулированными процессами, а связь между обоими фотонами становится выраженнее.

Для квантовой фотоники работа важна ещё и потому, что речь идёт именно о твердотельной платформе. Источники такого типа удобнее с инженерной точки зрения: их проще встраивать в компактные схемы, сочетать с микрофотонными элементами и постепенно превращать в практические устройства. Когда высокий уровень чистоты и хорошую эффективность удаётся получить именно в такой архитектуре, путь к прикладному использованию становится короче.

До реального внедрения, однако, ещё далеко. У нынешнего образца остаётся серьёзное температурное ограничение. Устройство работает при температурах ниже 10 кельвинов, то есть почти в условиях жидкого гелия. Для лабораторных экспериментов такой режим допустим, но для массовых и сравнительно недорогих систем он слишком сложен и дорог. Поэтому следующий важный шаг связан не только с дальнейшим улучшением качества фотонных пар, но и с повышением рабочей температуры.

Исследователи рассчитывают приблизить режим работы к области жидкого азота, то есть поднять температуру выше 77 кельвинов. Такой переход заметно упростил бы охлаждение и сделал бы технологию практичнее. Параллельно команда собирается улучшать свойства самих пар и искать новые материалы, которые помогут сохранить нужный режим в более мягких условиях. Если эти задачи удастся решить, компактные источники фотонных пар по требованию перестанут быть чисто лабораторной разработкой и подойдут для реальных квантовых устройств.