Специалисты Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе в России создали микроскопические элементы для микроэлектроники, генерирующие одиночные фотоны. Алексей Акимович Торопов, доктор физико-математических наук, рассказал о данной разработке, ее возможностях применения и перспективах дальнейшего развития на пленарном заседании форума «Микроэлектроника 2025.
Источники одиночных фотонов, представляющие собой устройства, генерирующие свет, по сути, по одному фотону, играют важнейшую роль в разработках, связанных с квантовыми вычислениями. Эти источники обладают уникальными характеристиками, существенно отличающими их от традиционных ламп или лазеров. При включении обычного источника света мы наблюдаем непрерывный и хаотичный поток из триллионов фотонов. Однофотонный излучатель, напротив, испускает световые частицы строго дискретно, наподобие метронома, отсчитывающего по одному удару за раз. Данное свойство становится основополагающим для передовых технологий, таких как квантовая криптография, в которой информация кодируется в состоянии отдельных фотонов, а любая попытка перехвата приводит к нарушению их деликатного состояния.
Квантовые точки – один из наиболее востребованных и исследуемых видов излучателей. Их можно рассматривать как искусственные атомы. В отличие от обычных полупроводников, например, чипов процессоров, где электроны способны свободно перемещаться, квантовая точка представляет собой наноразмерную структуру, ограничивающую электроны в трех измерениях. Оказавшись в подобной «ловушке», электроны начинают вести себя аналогично электронам в настоящем атоме, занимая лишь строго определенные энергетические уровни. Переход электрона с более высокого уровня на нижний сопровождается испусканием фотона, цвет которого, или длина волны, точно определяется размером квантовой точки. Чем меньше размер точки, тем более энергичный, то есть «синий», фотон она испускает.
«Мы исходим из того, что у нас имеется двухуровневая квантовая система, которая активируется с помощью коротких лазерных импульсов — настолько коротких, что система не способна испустить второй фотон и генерирует только один. Идеальный источник в таком случае должен выдавать ровно один фотон на каждый импульс воздействия. Однако, к сожалению, подобных устройств пока не существует. Поэтому ключевым показателем является яркость, или эффективность источника одиночных фотонов: вероятность генерации фотона при одном импульсе воздействия. В оптимальном варианте она должна составлять 100%. Что касается причины, то это квантовые коммуникации, в первую очередь системы квантового распределения ключей (КРК). Исторически сложилось так, что именно здесь возникла потребность в создании и использовании источников одиночных фотонов, по крайней мере, для многих протоколов квантовой криптографии, функционирующих в телекоммуникационных диапазонах, предпочтительно — на длине волны 1,55 микрона, где минимальны потери в оптическом волокне и в атмосфере», —подчеркнул А.А. Торопов.
В настоящее время исследователи преимущественно используют лазерные импульсы с пониженной интенсивностью, так как создание подлинных источников одиночных фотонов представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Однако существуют ограничения: именно статистика фотонов в лазерном излучении определяет, например, скорость работы подобных систем — увеличение интенсивности приводит к утрате однофотонных свойств. В связи с этим многие компании по всему миру в последнее время уделяют внимание разработке детерминированных источников фотонов, главным образом, на основе одиночных квантовых точек в полупроводниковых материалах, как пояснил ученый.
«В качестве примера можно привести статью в журнале “Light”, где четыре университетские команды из Германии разработали систему квантовой криптографии между городами, используя источник, основанный на одиночной квантовой точке арсенида индия. Эта точка, расположенная в микрорезонаторе, излучает свет на длине волны, соответствующей телекоммуникационному диапазону, и обладает высоким параметром однофотонности — значение корреляционной функции второго порядка при нулевой задержке составляет около 0,03. Это весьма хороший результат. Тем не менее, по сравнению с передовыми системами квантовой криптографии, использующими ослабленные лазерные импульсы, они пока еще уступают. Основная трудность заключается в невысокой конечной эффективности, или яркости, источника: среднем числе фотонов, достигающих одномодового оптического волокна. У лучших образцов этот показатель менее 5%, то есть менее 5 фотонов на 100 импульсов накачки. Это ключевой параметр, требующий улучшения, и мы приблизились к характеристикам, которые уже способны конкурировать с ослабленными лазерными импульсами», — продолжил А.А. Топоров.
Изначально в 2002 году в Физико-технологическом институте им. А.Ф. Иоффе был предложен базовый принцип создания источника, который включает квантовую точку, генерирующую одиночные фотоны при воздействии света, и микрорезонатор. Микрорезонатор необходим, поскольку квантовая точка является достаточно слабым излучателем; он позволяет многократно усиливать взаимодействие и объединять фотоны в пучок. В результате ученые создали источник в форме микрорезонатора типа «столбик» с распределенными брэгговскими зеркалами и активной областью, рассчитанной на одну длину волны, в центре которой находится квантовая точка.
«Для генерации излучения используется резонансная когерентная накачка, при которой лазерный импульс имеет ту же длину волны, что и фотон. Для разделения лазерного излучения применяется схема с перекрестной поляризацией, однако это приводит к потере 50% сигнала. Нам удалось уменьшить потери до 14%, используя анизотропный микрорезонатор с двумя ортогональными модами: лазерный импульс возбуждает одну моду, а фотон регистрируется в другой. Наше еще одно технологическое решение — управление зарядовым состоянием квантовой точки. Для функционирования анизотропного резонатора требуется квантовая точка с однократным зарядом. Мы разработали методику управления зарядом посредством легирования и оптического смещения уровня Ферми, используя режим кулоновской блокады. В итоге мы достигли эффективности 34%, что является мировым рекордом для монолитных источников данного типа, демонстрирующих хорошие характеристики однофотонности», — рассказал ученый.
В настоящее время рынок данных устройств остается ограниченным и ориентирован преимущественно на научные исследования. Так, источник, созданный в институте, используется в Московском государственном университете для проведения экспериментов в области фотонных квантовых вычислений. Тем не менее, практическое применение однофотонных излучателей постепенно расширяется за пределы лабораторных условий. В сфере телекоммуникаций они служат базой для организации каналов связи с абсолютной защищенностью. Сигнал, сформированный одиночными фотонами, невозможно перехватить незаметно, поскольку любое измерение приводит к уничтожению фотона и свидетельствует о вмешательстве посторонней стороны. В перспективе именно квантовые точки рассматриваются как одна из технологических платформ для разработки кубитов – базовых элементов квантового компьютера, который сможет решать задачи, неподвластные даже самым производительным современным суперкомпьютерам.