Запуск фотона по требованию

Коллаж, созданный Toshiba и University of Cambridge. (кликните картинку для увеличения)

Исследовательская группа из Великобритании продемонстрировала успешную генерацию пары фотонов при помощи одного только электрического поля. В будущем созданная для этого техника может использоваться в приложении к оптическим квантовым вычислениям.

Устройство, созданное для этой цели, получило название «связанный светодиод» (entangled light-emitted diode, ELED). Оно представляет собой «преобразователь» электрической энергии напрямую в свет и не требует использования дополнительного лазерного излучения (как в методиках, существовавших до сих пор). «Результатом» его работы являются так называемые связанные фотоны.

С точки зрения квантовой физики связанность позволяет частицам иметь гораздо более тесную связь, нежели это позволено законами классической картины мира. Если две частицы связаны, то, зная состояние одной из них, можно однозначно восстановить состояние второй (несмотря на то, что состояние второй частицы невозможно предсказать перед началом измерений). Также квантовая механика постулирует, что частицы могут существовать не в определенном состоянии, а в суперпозиции некоторых состояний. Этот феномен может использоваться для практической реализации квантового компьютера. Логика такого компьютера позволяет решить некоторые задачи, которые не имеют решения в классическом случае (или единственно возможное решение требует слишком больших системных ресурсов). В отличие от классической логики, которая оперирует битами, принимающими значение 0 или 1, квантовая работает не только с этими значениями, но и с их суперпозицией (а отличаться состояния могут, например, поляризацией; т.е. к 1 приравнен фотон, имеющий горизонтальную поляризацию, а к 0 – вертикальную).

Для создания нового устройства группа коллег из Toshiba Research Europe и University of Cambridge применила стандартную технику полупроводникового производства (обычно используемую для производства обычных светодиодов). Данная техника подразумевает постепенное наращивание полупроводниковых слоев при помощи молекулярной лучевой эпитаксии, следом за которой проводится ряд действий по определению активной зоны светодиода и внедрению внутрь конструкции электродов.

В отличие от обычного светодиода, ELED содержит квантовые точки – небольшие включения полупроводника, размерами всего несколько нанометров. Свойства квантовой точки могут быть настроены так, чтобы она могла «захватывать» два электрона и две «дырки». Это позволяет перевести систему в так называемое «биэкситонное» состояние. Созданное таким образом состояние переходит в «нулевое» через одно или два промежуточных экситонных состояний с излучением пары связанных фотонов (промежуточные состояния при этом определяют поляризацию испускаемых частиц).

Подобный процесс и ранее использовался для излучения единичной пары фотонов. Однако, ранее «производство частиц» в массе было недоступно. Достичь этого группе ученых позволил правильный подбор толщины полупроводникового материала, окружающего квантовые точки (что обеспечило контроль поступающего в систему электрического заряда и предотвращение туннелирования зарядов в квантовые точки, которое «портит» эффект). Кроме того, было важно создать квантовую точку с нужными параметрами.

В будущем техника позволит интегрировать множественные источники света на один единственный чип, т.е. решить задачу, являющуюся критической для дальнейшего практического развития оптического квантового компьютера.