Fysikere udvikler nyt design til hurtige, enkeltfotonkanoner

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og University of Siegen har forklaret mekanismen for enkeltfotogenerering i diamantdioder. Deres fund, udgivet i Fysisk gennemgang anvendt , tilbyde nye veje til udvikling af højhastigheds-enkelt-foton-kilder til kvantekommunikationsnetværk og fremtidens kvantecomputere.

Drift på enkelt-foton niveau øger muligheden for at udvikle helt nye kommunikations- og computerenheder, lige fra hardware tilfældige talgeneratorer til kvantecomputere. Den måske mest ventede kvanteteknologi er kvantekommunikation. Kvantekryptografi, som er baseret på lovene i kvantefysikken, garanterer ubetinget kommunikationssikkerhed. Med andre ord, det er grundlæggende umuligt at opfange den overførte besked, uanset udstyret eller mængden af ​​computerkraft, der er tilgængelig for hackeren. Selv en kraftig kvantecomputer kan ikke hjælpe i dette tilfælde. Imidlertid, implementeringen af ​​kvantekommunikationslinjer og andre kvanteenheder er uundgåeligt afhængig af effektive enkeltfotonkilder.

Det er en praktisk nødvendighed, at enkeltfotonkilder fungerer under standardbetingelser og pumpes elektrisk, det er, de skal fungere ved stuetemperatur og være drevet af et batteri. Disse afgørende krav er ikke så lette at opfylde. Først, kvantesystemer er ikke rigtig kompatible med høje temperaturer, hvilket betyder, at de skal fungere i et køleskab eller kryostat for at afkøle dem til temperaturen af ​​flydende helium eller endnu koldere, til under 1 kelvin, hvilket er lig med -272 grader Celsius. Selvom brugen af ​​sådanne enheder er blevet standard praksis inden for fysisk forskning, et sådant kølesystem er vildt upraktisk, hæmmer masseproduktion af kvanteindretninger. Også, forestillingen om et kvantesystem indebærer fravær af ukontrollerede interaktioner med det omgivende miljø. Et klassisk eksempel på et sådant system er et enkelt atom i et vakuumkammer. Selvom dets interaktion med miljøet er ubetydelig, fysikere kan ikke desto mindre styre dets elektronstater med en laser. Ved at belyse kammeret med en laserstråle, en elektron fremmes fra en besat orbital med lavere energi til en tom orbital med højere energi. Efter det, atomet slapper af til den oprindelige tilstand via fotonemission. Problemet er, at et sådant system ikke kan pumpes elektrisk.

I løbet af de sidste to årtier har igangværende forskning inden for kvanteoptik og elektronik har vist, at selv halvlederkvantesystemer ikke giver tilfredsstillende resultater under elektrisk pumpning ved stuetemperatur, hvorimod mange af de andre materialer slet ikke leder elektricitet.

Den overraskende løsning på dette problem blev tidligere fundet i diamant, et materiale, der udviser egenskaber ved grænsefladen mellem halvledere og dielektrikum. Forskere fandt ud af, at visse punkter i krystalgitteret af diamant kan fungere som kvantesystemer med fremragende fotonemissionskarakteristika. I øvrigt, de fandt ud af, at disse kvantesystemer er i stand til at udsende enkeltfotoner, når en elektrisk strøm ledes gennem diamant. Alligevel, fysikken bag dette fænomen forblev ukendt, og det var uklart, hvordan man designede hurtige og effektive enkeltfotonkilder baseret på farvecentre.

I det nye papir, forskerne fra MIPT og University of Siegen etablerede en mekanisme for enkelt-fotonemission fra elektrisk pumpede nitrogen-ledige centre i diamant og bestemte de faktorer, der påvirker fotonemissionsdynamikken. Ifølge deres forskning, enkelt-fotonemissionsprocessen kan opdeles i tre faser:(1) elektronfangst af et farvecenter, (2) hulfangst, hvilket betyder tab af en elektron, og (3) elektronen eller hullet overgår mellem energiniveauerne i farvecentret. Sammen, disse tre faser er analoge med en affyringsrevolver.

At skyde en kugle i denne analogi betyder at udsende en enkelt foton. En elektron fanges af defekten - tænk på dette som at trække hammeren på en pistol tilbage. Derefter trækkes aftrækkeren, som sætter udløsermekanismen i gang, kaster hammeren mod patronens primer. Denne omvendte bevægelse af hammeren svarer til indfangning af et hul ved farvecentret. Så eksploderer primeren, antænder drivmidlet, og forbrændingsgasserne driver kuglen langs og ud af tønden. Tilsvarende det fangede hul i farvecentret undergår overgange mellem jorden og spændte tilstande, hvilket resulterer i emission af en foton. Efterfølgende cyklusser gentager den første cyklus, med den undtagelse, at der ikke er behov for en ny patron, fordi farvecentret er i stand til at udsende et vilkårligt antal fotoner en ad gangen.

Et vigtigt krav for en praktisk enkelt-foton kilde er, at den skal udsende fotoner på forudbestemte tidspunkter, siden det øjeblik, fotonet udsendes, den flyver væk med lysets hastighed. "På en måde, det er som en hurtig uafgjort duel i det vilde vesten, "siger Dmitry Fedyanin." To cowboys trækker deres pistoler i det øjeblik uret slår. Den, der skyder først, er normalt vinderen. Enhver forsinkelse kan koste hver enkelt af dem livet. Med kvanteenheder, historien er stort set den samme:Det er afgørende at generere en foton på præcis det tidspunkt, vi har brug for det. "I deres papir, forskerne viser, hvad der bestemmer responstiden for en enkelt-foton kilde, det er, forsinkelsen, før kilden udsender en foton. De vurderede også sandsynligheden for at udsende en ny foton på tidspunktet τ efter udsendelsen af ​​den første foton. Det viser sig, responstiden kan justeres og forbedres flere størrelsesordener ved at ændre diamantens egenskaber via doping eller kontrollere tætheden af ​​elektroner og huller injiceret i diamant. Udover dette, Fedyanin siger, farvecentrets oprindelige tilstand kan styres ved at variere dens position i diamantdioden. Dette svarer til, hvordan en pistolslinger kan presse revolveren for et hurtigere skud eller sætte pistolen på en halv pik.

Den fysiske model, forskerne har fremført, kaster lys over farvenes opførsel i diamanter. Ud over at levere en kvalitativ fortolkning, den foreslåede teoretiske tilgang gengiver nylige eksperimentelle resultater. Dette åbner en ny mulighed for design og udvikling af praktiske enkeltfotonkilder med ønskede egenskaber, som er afgørende for realiseringen af ​​kvanteinformationsenheder, såsom ubetinget sikre kommunikationslinjer baseret på kvantekryptografi.