Фотоны научились выпускать поштучно

Для развития квантовой криптографии требуется решить многие научные и технические проблемы. Одной из таких проблем является создание одиночных квантовых объектов. Источники одиночных фотонов, которые будут гарантировать практически абсолютную безопасность и эффективность работы квантовых сетей связи, пытались получить разными способами, в том числе с использованием квантовых точек, одиночных атомов и ионов, центров окраски и т.д. Все эти способы имеют те или иные недостатки, в основном из-за необходимости создания слишком сложных установок, непригодных для массового выпуска.

Шуай Чен (Shuai Chen) и его коллеги разработали регулируемый однофотонный источник, использующий квантовую память для генерации и хранения отдельных фотонов, которые затем могут быть переданы в определенное время, сообщает PhysOrg. Авторы считают, что подобный источник является прототипом будущих устройств для квантовых вычислений и квантовых каналов связи.

Основная цель работы заключалась в том, чтобы получить заметное время жизни отдельного возбуждения в атомном ансамбле, а также в том, как затем преобразовать с высокой эффективностью одиночные возбуждения в одиночные фотоны. В экспериментальной установке использовали рамановское рассеяние, облучая лазерным импульсом ансамбль холодных атомов рубидия. При взаимодействии лазерного луча с атомами отдельные атомы могут либо возбуждаться, либо превращаться в одиночные фотоны.

Облучение может генерировать одиночные спиновые возбуждения в ансамбле атомов. Тем самым формируется квантовая память, поскольку информация о лазерном импульсе сохраняется в веществе. Спиновое возбуждение, в свою очередь, можно превратить в одиночные фотоны в заранее заданное время. Таким образом, система становится регулируемой.

Ученым удалось достигнуть уровня 600 спиново-возбужденных состояний в секунду. Далее возбужденные состояния преобразовывались в одиночные источники фотонов, и детектор определял около 15 однофотонных источников в секунду. По мнению авторов, это очень высокий уровень преобразования возбуждения. Д-ру Чену удалось увеличить число единичных фотонов в основном за счет оптимизации таких свойств лазерного излучения, как пространственная мода, интенсивность, частота, а также введения цепи обратной связи.

В принципе, спиновое возбуждение можно хранить до 300 мкс и генерировать при этом одиночный фотон в любое время. Благодаря наличию цепи обратной связи новые источники смогут генерировать достаточное число единичных фотонов для квантовых повторителей, которые необходимы для работы оптических квантовых каналов связи большой протяженности. Ученые считают, что их разработка позволит существенно сократить расходы на создание квантовых оптических сетей.