Физики научились создавать однофотонные состояния, но пока только на бумаге
Квантовые технологии всё глубже проникают в нашу жизнь. Ко всему прочему, они должны быть эффективны.
После «первой квантовой революции», ознаменованной разработкой лазеров и атомных часов, полным ходом началась «вторая квантовая революция» — разрабатывается квантовая связь, пишущая и передающая информацию с помощью света. Для этого свет должен находиться в определенном — однофотонном — состоянии. Но как «приготовить» такое состояние наиболее правильно?
Один из самых известных примеров такого состояния — квантовая точка, полупроводниковая структура размером всего в несколько нанометров. Известно, что квантовыми точками можно управлять с помощью лазерных импульсов. Хотя квантовые точки обладают свойствами, аналогичными свойствам атомов, они встроены в кристаллическую матрицу, удобную для применения. Но есть и трудности.
Одна из трудностей, которую необходимо преодолеть, заключается в том, чтобы отделить одиночные фотоны, генерируемые возбуждающим лазерным импульсом. Для этого авторы использовали несколько лазерных импульсов, частоты которых сильно отличаются от частот в квантовой системе.
Лазеры испускают световые импульсы почти одновременно. В результате взаимодействия импульсов друг с другом происходит быстрая модуляция, и в каждом цикле модуляции частица всегда немного возбуждается, но затем снова опускается в основное состояние. Лазерный свет возбуждает в квантовой системе электронно-дырочные пары (также их называют экситонами). Однако вместо релаксации — ухода на прошлый энергетический уровень — система возбуждается сильнее с каждым колебанием, пока не достигнет максимального по энергии состояния. Преимущество метода заключается в том, что лазерное излучение имеет частоту отличную от частоты света, испускаемого возбужденными частицами, а значит, они не «перемешаются» при измерении.
Но для использования в квантовой связи фотоны должны обладать определенными свойствами. Более того, фотоны не должны подвергаться влиянию извне, что сейчас почти невозможно. В классических схемах, квантовые точки часто взаимодействуют с окружающим полупроводниковым материалом.
Численное моделирование показало, что свойства фотонов, генерируемых в разработанном процессе, сравнимы с результатами известных методов генерации одиночных фотонов, но при этом предложенный способ куда более удобен на практике. Несмотря на то, что это исследование — сугубо теоретическое, у него есть потенциал и, возможно, уже скоро эту схему реализуют в лабораторных условиях.
Исследование опубликовано в журнале PRX Quantum.