Физики научились генерировать одиночные фотоны с помощью интегрального источника из нитрида галлия. Разработанный ими источник позволяет получать одинаковые одиночные фотоны, что очень важно для его интеграции в квантовые чипы, а свойства нитрида галлия позволили увеличить диапазон длин волн вылетающих фотонов в сравнении с кремнием. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга
Вместе с увеличением числа кубитов в квантовых вычислителях происходит и их миниатюризация: ученые стараются сделать процессоры как можно меньше и соединить их с другими элементами системы. Оптимальное решение, которое подходит для любых платформ (фотонов, ионов, сверхпроводников, NV-центров) — использовать полупроводниковые чипы. Они хороши не только своими размерами, но и тем, что технология их производства хорошо развита, поэтому можно получать сложные структуры и размещать на одном чипе не только процессор.
В случае, например, вычислений на фотонах, вместе с процессором на чипе может располагаться и источник одиночных фотонов — такие источники называют интегральными. Это помогает избежать потерь при транспортировке фотонов от источника к процессору и упростить всю схему вычислителя.
Интегрировать в чип умеют два разных типа однофотонных источников: квантовые точки, которые можно выращивать методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и волноводы из материалов, в которых можно наблюдать нелинейные эффекты. Самый популярный кандидат для вторых — это кремний. Несмотря на множество преимуществ, в кремнии хорошо распространяется очень маленький диапазон длин волн (узкое окно прозрачности). В отличие от кремния, нитрид галлия и все полупроводники типа A3B5 (соединения элементов 3 и 5 групп таблицы Менделеева) — прямозонные, а поэтому их можно использовать в большом диапазоне длин волн.
Команда физиков под руководством Цян Чжоу (Qiang Zhou) из Института электроники и науки Китая впервые продемонстрировала интегральный источник одиночных фотонов в нитриде галлия. Генерация фотонов в таком источнике происходит за счет четвертьволнового смешения, а длины волн вылетающих фотонов лежат в оптическом С-диапазоне (1530-1565 нанометров).
Помимо прямозонности у нитрида галлия есть еще одно преимущество — его кристаллическая ячейка не обладает центральной симметрией, поэтому в нем можно наблюдать нелинейности и второго, и третьего порядка. Это значит, что можно превращать один фотон накачки в два запутанных фотона на выходе (задействовать три фотона — за это отвечает второй порядок нелинейности) или накачивать его двумя разными фотонами и на выходе получать тоже два (процесс с четырьмя фотонами — третий порядок). Кстати, в нитриде галлия уже реализовывали нелинейный процесс второго порядка, только наоборот — из двух фотонов накачки получали один. Такой процесс называют генерацией второй гармоники или удвоением частоты.
Авторы использовали четвертьволновое смешение — из двух входных фотонов получали два других запутанных. Для этого они эпитаксиально выращивали слой нитрида галлия на подложке из сапфира и формировали в нем микрокольца радиусом в 6 микрометров, шириной 2,25 микрометра и высотой 0,75 микрометров. Такие размеры позволили избавиться от нежелательной дисперсии и генерировать выходные фотоны в большом диапазоне длин волн.
Все элементы системы соединяли с помощью оптических волокон, а на входе и выходе чипа стояли спектральные уплотнители каналов, которые помогли вырезать нужную длину волны от лазера накачки и избавиться от паразитных эффектов, которые возникают на стыках волокон. После очищения накачки излучение попадало в чип через линзированное волокно, которое позволяет уменьшить потери ввода-вывода — они составили 85 процентов (для используемой технологии это хороший показатель).
Характеристику источника авторы проводили стандартными методами: проверяли, действительно ли выходной сигнал однофотонный, следили за тем, насколько одинаковыми получаются фотоны, и за тем, как много фотонов получается излучить в секунду. На выходе из источника рождаются пары фотонов с разными длинами волн в большом диапазоне — то есть могут родиться два фотона, длина волны одного 1544,80 нанометра, а другого 1555,44 нанометра, или такие, что у одного длина волны 1529,11 нанометра, а у другого 1571,69 нанометра. Физики рассматривали семь таких разных пар и выяснили, что могут генерировать их с примерно одинаковой скоростью, но другие параметры у них отличаются существенно — в лучшем случае им удалось получить неразличимость между фотонами в паре до 95 процентов, а сам сигнал с вероятностью 99 процентов был однофотонным.
Иногда для того, чтобы получить очень яркий однофотонный источник, физики выращивают на полупроводниковых подложках сложные нелинейные кристаллы — как, например, тут.