Квантовый алмаз может стать сердцем квантовой связи и компьютеров будущего

Дмитрий Федянин, физик из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, вместе со своим итальянским коллегой Марио Аджио предсказал возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решетки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. Работа исследователей, опубликованная в одном из ведущих физических журналов New Journal of Physics, указывает на возможность ряда технологических прорывов, включая создание квантовых компьютеров и защищенных линий связи, которые, в отличие от ранее предложенные схем, будут работать при комнатной температуре.

Исследование Дмитрия Федянина и Марио Аджио посвящено созданию эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Иными словами, они дают возможность сгенерировать одиночный фотон «по требованию», просто приложив напряжение, причем вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна.

Еще недавно наиболее перспективными кандидатами на роль истинно однофотонных источников считались квантовые точки (наноразмерные частицы полупроводников), однако они работают лишь при очень низких температурах, и это один из их главных недостатков — массовое применение плохо сочетается с необходимостью охлаждать устройство жидким азотом или еще более холодным жидким гелием, или же использовать еще более дорогие и энергоемкие холодильные установки. В тоже время, было известно, что некоторые точечные дефекты в кристаллической решетке алмаза, возникающие при случайном попадании или направленной имплантации в алмаз посторонних атомов (например, кремния или азота), можно заставить эффективно излучать одиночные фотоны при комнатной температуре, однако этого удавалось достичь только при оптическом возбуждении этих дефектов с помощью мощных лазеров. Такой способ идеально подходит для исследований в научных лабораториях, но совершенно неэффективен в практических устройствах. Эксперименты же с электрическим возбуждением давали не самые впечатляющие результаты — по яркости алмазные источники сильно (на несколько порядков) проигрывали квантовым точкам. Поскольку теории, описывающей излучение центров окраски в алмазах при пропускании тока, не было — не представлялось возможным оценить потенциал таких источников одиночных фотонов и понять, смогут ли они стать основой квантовых устройств будущего.

Новая публикация дает утвердительный ответ: на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать очень эффективные источники одиночных фотонов, причем даже более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек.

Переход на однофотонные технологии позволит не только более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации, но и откроет путь к созданию различных квантовых устройств. Если создание квантовых компьютеров еще остается перспективой будущего, то защищенные линии связи на основе квантовой криптографии начинают применяться уже сегодня. Однако, при этом используются не истинно однофотонные квантовые источники, а так называемые ослабленные лазеры (attenuated lasers). А значит, велика вероятность не только отправить в канал ноль фотонов, что на порядки снижает скорость передачи данных, но и послать одновременно два, три, четыре и более квантов света. Злоумышленник может перехватить эти «добавочные» фотоны, причем ни отправитель, ни получатель не будут об этом знать. Это делает канал связи уязвимым и лишает квантовую криптографию главного преимущества — фундаментальной защищенности перед любыми типами атак.

Для квантовых вычислений, так же критически важно, иметь возможность оперировать отдельными фотонами. В классическом, то есть не квантовом, компьютере единицей информации выступает бит, который привязан к одному из двух состояний какой-либо физической системы; а в квантовом компьютере нужно использовать так называемые кубиты — соответствующие системе, способной находится как бы одновременно в двух разных положениях. Хорошей основой для кубита может быть одиночный фотон с его поляризацией. Реализация квантовых компьютеров на основе фотонов имеет огромное преимущество благодаря тому, что квантовые вычисления легко объединить с квантовой коммуникацией, а это позволит создавать сколь угодно большие и масштабируемые квантовые компьютеры и суперкомпьютеры, что не возможно сделать на основе других физических систем.

Дмитрию Федянину и Марио Аджио впервые удалось установить механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработать подход к его количественному описанию. Они выяснили, что не все состояния центров окраски можно возбудить электрически, несмотря на то, что они “доступны” при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя подобно изолированным атомам или молекулам (таким как водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза. Электрическое же возбуждение, наоборот, основывается как раз на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза, в то время как при оптическом возбуждении, дефекты не расстаются со своими электронами.  Это обстоятельство не только вносит ограничения, но и открывает новые возможности. Например, по словам Дмитрия Федянина, некоторые дефекты могут за один акт излучить последовательно два фотона из разных зарядовых состояний, что открывает путь к принципиально новым квантовым устройствам обработки и передачи информации, которые ранее никто просто не рассматривал ввиду невозможности таких процессов при оптической накачке. Но самым важным результатом работы является то, что исследователям удалось выяснить, почему ранее не удавалось наблюдать высокой интенсивности однофотонного излучения. Виной этому технологически сложный процесс легирования алмаза фосфором, который не позволял создать достаточную концентрацию электронов проводимости в кристалле.

Проведенные расчеты показывают, что современные технологии легирования позволяю достичь интенсивности однофтонного излучения более 100 тысяч фотонов в секунду, и характеристики только улучшаются при нагреве устройства: более 100 миллионов фотонов секунду при 200 градусах Цельсия.

«Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое нужно нагреть, чтобы улучшить его характеристики, причем эффект улучшения составляет три порядка. Обычно же, наоборот, как электронные, так и оптические устройства нужно охлаждать, прикрепляя к ним радиаторы с вентиляторами или помещая их в жидкий азот», — говорит Дмитрий Федянин. По его словам, технологическое совершенствование процесса легирования алмаза позволит увеличить яркость еще в 10-100 раз.

Сто миллионов фотонов — это очень мало по меркам бытовых источников света (так, обычная лампа накаливания дает свыше 10¹⁸ фотонов в секунду), но при этом следует отметить, что весь поток световых квантов создает единичный точечный дефект кристаллической решетки размером в несколько ангстрем (10^-10 метра) и, в отличие от лампы накаливания, фотоны следуют строго по одному друг за другом.  Для квантовых компьютеров, о которых шла речь выше, и нескольких десятков тысяч фотонов в секунду будет более чем достаточно — на сегодня возможность создания квантовых вычислителей ограничена совсем иными факторами. А вот в квантовых линиях связи, использование алмазных однофотонных источников не только позволит абсолютно защитить соединение, но и на порядки повысит скорость передачи информации в сравнении с несовершенными псевдооднофтонными источниками на основе ослабленных лазеров.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда #14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5–100».