0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

«Квантовый алмаз» открывает путь к компьютерам будущего

«Квантовый алмаз» открывает путь к компьютерам будущего

Работа, проделанная российскими и итальянскими учёными, позволяет говорить о том, что существует возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решётки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. А это открывает путь к созданию различных квантовых систем, включая вычислительные комплексы будущего.

В исследованиях принимали участие Дмитрий Федянин, физик из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, а также Марио Аджио из Центра квантовых наук и технологий в Арчетри (Италия).

Учёные исследовали возможность создания эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Иными словами, они дают возможность сгенерировать одиночный фотон «по требованию», просто приложив напряжение, причём вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна. Переход на однофотонные технологии позволит не только более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации, но и откроет путь к созданию различных квантовых систем.

Изыскания исследователей позволяют говорить о том, что эффективные источники одиночных фотонов можно получить за счёт дефектов в структуре алмаза на атомном уровне. Так, прикладывая напряжение к алмазному нанодиоду с искусственно созданным внутри него центром окраски, можно с высокой частотой генерировать одиночные фотоны.

Более подробную информацию об исследовании и перспективах практического использования предложенной технологии можно найти в статье МФТИ.

Kill0БИТ3е
Ты чутка неверно представляешь себе процесс.
Ребята в ЦЕРНе занимаются исследованиями по основной теории. Но!

На пресс.конференциях, особенно в случаях неудач, набигают негодующие журналисты а-ля «ваша лаборатория стоила 1кк. Теория частиц оказалась неверной, а рак так и не вылечили. 111!» (хотя, причём тер. физики к лечению рака яхз).

Учёные представители, у которых берут интервью, сидят с кислыми рожами.
Оно и понятно: 35 лет теории, которая могла принести офигенный прорыв в науке, оказалась неверной и нужно теперь лопатить всё и искать косяк.. Или вообще её бросать.
А вместо этого им приходится обьяснять очередному индивиду с его матаном уровня «жур.фак» что пошло не так. Индивид, естессно не понимая и половины, заходит с козырей: «А если ваш бюджет — да на борьбу со СПИДом!».
И так по кругу..
. и пережидают пока цирк уедет и заберет с собой клоунов, чтоб можно было дальше работать.

Вот чтоб таких бурлений не возникало, побочные открытия, в сфере кристаллических решеток, передаются другим проф.лабораториям. Прикладные химики, с ватагой спонсорских инженеров, запиливают на основе открытия аккумуляторы особо высокой ёмкости.
Итого: спонсор положил 1ккк в карман за счёт аккумуляторов к автомобилям; учёные, при следующем слёте цирка, потрясут батарейкой и дальше будут своими делами заниматься. А журналисты продолжат строчить свои «корабли боробздят просторы космоса» и прочую псевдонаучную фигню.
Все довольны. А кто там непосредственно из чьих рук кормится — по тексту сам поймёшь.

Учёные, в такую схему не попавшие, и сидящие в лабораториях за гос.бюджет (ты их видел?) помаленьку исследуют то, что уже исследовал и описал Фарадей. Потому что с подвальным циклотроном, времён пятилетки, много не наколдуешь.
(Надрюченные в таких лабах прикладные физики реально могут из говна и спички собрать бомбу — столько приходится выкручиваться из-за устаревшей аппаратуры).

И это ещё физика, а прикинь математику?

X_ray_83
Галуа, по-твоему, гений, нет?

Kill0БИТ3е
Т.е., занимаясь основной работой, учёные выдают побочные изобретения, которые отдаются другим учёным на додумывание, чтобы вложенцы смогли окупить свои вложения?
Что в этом плохого?
Наука — сама по себе цель и мотив.
Представь себе: ты — теоретик в области дифференциальной геометрии и топологии, накатал пару солидных работ о применении расслоения для исследования пространства.
Высококвалифицированные инженеры-физики описывают твою работу как «Занимается какой-то абстрактной херней». Люди попроще тебя вообще не понимают но уверены, что расслаивать пространства нужно определённо в дурке, рядом с «Наполеоном». X_ray_83 вон, считает что нужно лечить людей, а не заниматься фигнёй.

Тебе постоянно звонят и просят прочитать курс лекций по алгебраической топологии (непозволительно ниже твоего уровня и достоинства) студентам, которые на лекции даже не приходят, ибо — с утра тяжело вставать.
Периодически приглашают перцы из министерства и интересуются как «вот то вот твоё» можно приклеить к танчику, чтоб лучше по грязи топил.
А раз приклеить нельзя, то и бабла тебе не положено.
Что делать?
Хватаешь исследователя в области теории игр, выдаётся с ним напару материал о покрытиях. Берёте продвинутого инженера и выкатываете всему миру новую охранную систему, основанную на минимальных данных!
(типа так: https://www.researchgate.net/publication/259294110_A_Short_Exposition_of_Topological_Applications_to_Security_Systems )
ВНЕЗАПНО твоя неведомая фигня стаёт всем нужна, спонсоры предлагают деньги на старт-ап и развитие. Неспешно подтягивается министерство (уже к тебе едет, а не как раньше) и предлагает поискать способ наклеить это на танчик.

Твои возможные действия:
1. по тихому свалить, пока с тебя не взяли подписку о невыезде, поднять старт-ап и снимать бабос.
2. заниматься своими делами за бюджет, время от времени выкатывая для оборонки апгейд (пока те не прочухали как их разводят)
3. продать старт-ап, поднять много бабла и дальше пилить свою геометрию.

И где на всех этих этапах люди, ради которых ты должен делать мир лучше?
— Сначала смотрят и крутят и виска пальцем, а как частный случай твоей идеи стало возможно оценить финансово — заговорили: «Вау! Он такой умный!» и все тёлки твои.

Я утрирую конечно, многое и от характера зависит: кто с самоиронией подходит к своей работе, кто считает всех рассуждающих на уровне абстракции ниже теории категорий — быдлом и вообще — инженерами.
Не важно, главное — их наработками в физике мы пользуемся, или воспользуемся через лет 200, как это обычно происходит с математикой.
Хотя — да, я не отказался бы пожить в мире, в котором гос. бюджет идёт на развитие науки, а не танчики и золотое очко на дачу в Лапландии.

Квантовый алмаз может стать сердцем квантовой связи и компьютеров будущего

Прикладывая напряжение к алмазному нанодиоду с искусственно созданным внутри него центром окраски, можно с высокой частотой генерировать одиночные фотоны.
Иллюстрация пресс-службы МФТИ.

Физик из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ Дмитрий Федянин вместе со своим итальянским коллегой Марио Аджио (Mario Agio) из Национального института оптики во Флоренции предсказал возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решетки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. Работа исследователей, опубликованная в одном из ведущих физических журналов New Journal of Physics, указывает на возможность ряда технологических прорывов, включая создание квантовых компьютеров и защищенных линий связи, которые, в отличие от ранее предложенных схем, будут работать при комнатной температуре.

Читать еще:  МойОфис. Эволюция проекта

Исследование Дмитрия Федянина и Марио Аджио посвящено созданию эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Иными словами, они дают возможность сгенерировать одиночный фотон “по требованию”, просто приложив напряжение, причем вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна.

Еще недавно наиболее перспективными кандидатами на роль истинно однофотонных источников считались квантовые точки (наноразмерные частицы полупроводников), однако они работают лишь при очень низких температурах, и это один из их главный недостатков — массовое применение плохо сочетается с необходимостью охлаждать устройство жидким азотом или ещё более холодным жидким гелием, или же использовать еще более дорогие и энергоемкие холодильные установки. В то же время было известно, что некоторые точечные дефекты в кристаллической решетке алмаза, возникающие при случайном попадании или направленной имплантации в алмаз посторонних атомов (например, кремния или азота), можно заставить эффективно излучать одиночные фотоны при комнатной температуре, однако этого удавалось достичь только при оптическом возбуждении этих дефектов с помощью мощных лазеров.

Такой способ идеально подходит для исследований в научных лабораториях, но совершенно неэффективен в практических устройствах. Эксперименты же с электрическим возбуждением давали не самые впечатляющие результаты — по яркости алмазные источники сильно (на несколько порядков) проигрывали квантовым точкам. Поскольку теории, описывающей излучение центров окраски в алмазах при пропускании тока, не было — не представлялось возможным оценить потенциал таких источников одиночных фотонов и понять, смогут ли они стать основой квантовых устройств будущего.

Новая публикация даёт утвердительный ответ: на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать очень эффективные источники одиночных фотонов, причем даже более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек.

Переход на однофотонные технологии позволит не только более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации, но и откроет путь к созданию различных квантовых устройств. Если создание квантовых компьютеров еще остается перспективой будущего, то защищенные линии связи на основе квантовой криптографии начинают применяться уже сегодня. Однако, при этом используются не истинно однофотонные квантовые источники, а так называемые ослабленные лазеры (attenuated lasers). А значит, велика вероятность не только отправить в канал ноль фотонов, что на порядки снижает скорость передачи данных, но и послать одновременно два, три, четыре и более квантов света. Злоумышленник может перехватить эти “добавочные” фотоны, причем ни отправитель, ни получатель не будут об этом знать. Это делает канал связи уязвимым и лишает квантовую криптографию главного преимущества — фундаментальной защищенности перед любыми типами атак.

Для квантовых вычислений также критически важно иметь возможность оперировать отдельными фотонами. В классическом, то есть не квантовом, компьютере единицей информации выступает бит, который привязан к одному из двух состояний какой-либо физической системы; а в квантовом компьютере нужно использовать так называемые кубиты — соответствующие системе, способной находится как бы одновременно в двух разных положениях. Хорошей основой для кубита может быть одиночный фотон с его поляризацией. Реализация квантовых компьютеров на основе фотонов имеет огромное преимущество благодаря тому, что квантовые вычисления легко объединить с квантовой коммуникацией, а это позволит создавать сколь угодно большие и масштабируемые квантовые компьютеры и суперкомпьютеры, что невозможно сделать на основе других физических систем.

Дмитрию Федянину и Марио Аджио впервые удалось установить механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработать подход к его количественному описанию. Они выяснили, что не все состояния центров окраски можно возбудить электрически, несмотря на то, что они “доступны” при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя подобно изолированным атомам или молекулам (таким как водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза. Электрическое же возбуждение, наоборот, основывается как раз на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза, в то время как при оптическом возбуждении, дефекты не расстаются со своими электронами.

Это обстоятельство не только вносит ограничения, но и открывает новые возможности. Например, по словам Дмитрия Федянина, некоторые дефекты могут за один акт излучить последовательно два фотона из разных зарядовых состояний, что открывает путь к принципиально новым квантовым устройствам обработки и передачи информации, которые ранее никто просто не рассматривал ввиду невозможности таких процессов при оптической накачке.

Но самым важным результатом работы является то, что исследователям удалось выяснить, почему ранее не удавалось наблюдать высокой интенсивности однофотонного излучения. Виной этому технологически сложный процесс легирования алмаза фосфором, который не позволял создать достаточную концентрацию электронов проводимости в кристалле.

Проведенные расчеты показывают, что современные технологии легирования позволяют достичь интенсивности однофтонного излучения более 100 тысяч фотонов в секунду, и характеристики только улучшаются при нагреве устройства: более 100 миллионов фотонов в секунду при 200 градусах Цельсия. “Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое нужно нагреть, чтобы улучшить его характеристики, причем эффект улучшения составляет три порядка. Обычно же, наоборот, как электронные, так и оптические устройства нужно охлаждать, прикрепляя к ним радиаторы с вентиляторами или помещая их в жидкий азот,” — говорит Дмитрий Федянин. По его словам технологическое совершенствование процесса легирования алмаза позволит увеличить яркость еще в 10-100 раз.

Сто миллионов фотонов — это очень мало по меркам бытовых источников света (так, обычная лампа накаливания даёт свыше 10^18 фотонов в секунду), но при этом следует отметить, что весь поток световых квантов создаёт единичный точечный дефект кристаллической решетки размером в несколько ангстрем (10^-10 метра) и, в отличие от лампы накаливания, фотоны следуют строго по одному друг за другом. Для квантовых компьютеров, о которых шла речь выше, и нескольких десятков тысяч фотонов в секунду будет более чем достаточно — на сегодня возможность создания квантовых вычислителей ограничена совсем иными факторами. А вот в квантовых линиях связи, использование алмазных однофотонных источников не только позволит абсолютно защитить соединение, но и на порядки повысит скорость передачи информации в сравнении с несовершенными псевдооднофтонными источниками на основе ослабленных лазеров.

Ученые заявляют, что квантовый алмаз станет основой квантовой связи и компьютеров будущего

Физик из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, совместно с итальянским коллегой предсказал возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решетки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics.

Исследование посвящено созданию эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Они дают возможность сгенерировать одиночный фотон «по требованию», просто приложив напряжение, причем вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна.

Согласно новому исследованию, на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать эффективные источники одиночных фотонов, причем более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек. Переход на однофотонные технологии позволит более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации и откроет путь к созданию различных квантовых устройств, отмечают ученые.

Читать еще:  Sony Ericsson - cтамбульский связной

Исследователям впервые удалось установить механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработать подход к его количественному описанию. Они выяснили, что не все состояния центров окраски можно возбудить электрически, несмотря на то, что они «доступны» при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя подобно изолированным атомам или молекулам (таким как водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза. Электрическое же возбуждение, наоборот, основывается на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза, в то время как при оптическом возбуждении, дефекты не расстаются со своими электронами. По словам ученых, некоторые дефекты могут за один акт излучить последовательно два фотона из разных зарядовых состояний, что открывает путь к принципиально новым квантовым устройствам обработки и передачи информации, которые ранее никто просто не рассматривал ввиду невозможности таких процессов при оптической накачке.

Важным результатом работы является то, что исследователи выяснили, почему ранее не удавалось наблюдать высокой интенсивности однофотонного излучения. Это связано с технологически сложным процессом легирования алмаза фосфором, который не позволял создать достаточную концентрацию электронов проводимости в кристалле.

Проведенные расчеты показывают, что современные технологии легирования позволяю достичь интенсивности однофтонного излучения более 100 тысяч фотонов в секунду, и характеристики только улучшаются при нагреве устройства: более 100 миллионов фотонов секунду при 200 градусах Цельсия. «Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое нужно нагреть, чтобы улучшить его характеристики, причем эффект улучшения составляет три порядка. Обычно же, наоборот, как электронные, так и оптические устройства нужно охлаждать, прикрепляя к ним радиаторы с вентиляторами или помещая их в жидкий азот», – отмечают ученые. По его словам технологическое совершенствование процесса легирования алмаза позволит увеличить яркость еще в 10-100 раз.

«Квантовый» алмаз впервые отследил ток в графене

Исследователи из Мельбурнского университета разработали первый метод, который позволяет запечатлеть движение электронов в графене.

Перспективные электронные устройства, которые сейчас разрабатываются на основе сверхтонких материалов, например графена, чрезвычайно чувствительны к дефектам и трещинам, искажающим течение электрического тока. Понимание того, как ток ведется себя в подобных материалах, важно для проектирования надежного и устойчивого оборудования. Однако существующие технологии оценки тока, как правило, рассчитаны лишь на построение общей картины, не позволяя рассмотреть подробности этих процессов на отдельно взятых участках.

В новой работе сотрудники Школы физики и Центра нейроинженерии Мельбурнского университета описали метод, предполагающий более точные измерения тока. Подход основан на использовании азото-замещенной вакансии (NV-центра), которая образуется в кристаллической решетке алмаза в результате удаления одного атома углерода. Возникшая вакансия связывается с соседним атомом азота и задействует его валентные связи. При этом свойства такого дефекта сопоставимы со свойствами атома: их электроны также специфически восприимчивы к разным воздействиям, в том числе с помощью света и электромагнитного поля.

Установка, которая позволила авторам запечатлеть электрический ток в графене, имела следующую структуру. На первом этапе на алмазную подложку с азото-замещенными вакансиями, удаленными на 20 нанометров от поверхности, нанесли металлические контакты и слой графена, после чего подложку установили на микроволновой резонатор. Затем на графен подавался ток, и электроны в NV-центрах, восприимчивые к электромагнитному полю, возбуждались с помощью микроволн и лазерного излучения (зеленого цвета). Под действием создаваемого в графене поля в азото-замещенных вакансиях возникала фотолюминесценция красного цвета, которая фиксировалась посредством камер.

Таким образом, на основании интенсивности фотолюминесценции, исследователям удалось сформировать динамическую картину течения тока в графене в режиме реального времени. Полученные изображения позволили установить значимую корреляцию между дефектами и плотностью электрического тока. По словам авторов, предложенный метод рассчитан на регистрацию токов силой от одного микроампера, тогда как разрешение итогового изображения ограничено лишь дифракционным пределом. Подход также можно распространить на другие материалы, что может помочь при разработке перспективной микроэлектроники и, в частности, квантовых компьютеров.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

В конце 2016 года специалисты Гарвардского университета представили самый миниатюрный в мире радиоприемник, работающий схожим образом. Азот-замещенные вакансии в алмазе также возбуждали с помощью лазера, однако в этом случае считывалась интенсивность не электрического тока, но радиоволн.

Ученые заявляют, что квантовый алмаз станет основой квантовой связи и компьютеров будущего

Физик из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, совместно с итальянским коллегой предсказал возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решетки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics.

Исследование посвящено созданию эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Они дают возможность сгенерировать одиночный фотон «по требованию», просто приложив напряжение, причем вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна.

Согласно новому исследованию, на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать эффективные источники одиночных фотонов, причем более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек. Переход на однофотонные технологии позволит более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации и откроет путь к созданию различных квантовых устройств, отмечают ученые.

Исследователям впервые удалось установить механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработать подход к его количественному описанию. Они выяснили, что не все состояния центров окраски можно возбудить электрически, несмотря на то, что они «доступны» при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя подобно изолированным атомам или молекулам (таким как водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза. Электрическое же возбуждение, наоборот, основывается на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза, в то время как при оптическом возбуждении, дефекты не расстаются со своими электронами. По словам ученых, некоторые дефекты могут за один акт излучить последовательно два фотона из разных зарядовых состояний, что открывает путь к принципиально новым квантовым устройствам обработки и передачи информации, которые ранее никто просто не рассматривал ввиду невозможности таких процессов при оптической накачке.

Важным результатом работы является то, что исследователи выяснили, почему ранее не удавалось наблюдать высокой интенсивности однофотонного излучения. Это связано с технологически сложным процессом легирования алмаза фосфором, который не позволял создать достаточную концентрацию электронов проводимости в кристалле.

Проведенные расчеты показывают, что современные технологии легирования позволяю достичь интенсивности однофтонного излучения более 100 тысяч фотонов в секунду, и характеристики только улучшаются при нагреве устройства: более 100 миллионов фотонов секунду при 200 градусах Цельсия. «Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое нужно нагреть, чтобы улучшить его характеристики, причем эффект улучшения составляет три порядка. Обычно же, наоборот, как электронные, так и оптические устройства нужно охлаждать, прикрепляя к ним радиаторы с вентиляторами или помещая их в жидкий азот», – отмечают ученые. По его словам технологическое совершенствование процесса легирования алмаза позволит увеличить яркость еще в 10-100 раз.

Читать еще:  IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино!

«Квантовый алмаз» открывает путь к компьютерам будущего

Новости науки

Физик из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ Дмитрий Федянин вместе со своим итальянским коллегой Марио Аджио (Mario Agio) из Национального института оптики во Флоренции предсказал возможность превращения искусственно созданных дефектов кристаллической решетки алмаза в сверхъяркие и эффективные квантовые излучатели. Работа исследователей, опубликованная в одном из ведущих физических журналов New Journal of Physics, указывает на возможность ряда технологических прорывов, включая создание квантовых компьютеров и защищенных линий связи, которые, в отличие от ранее предложенные схем, будут работать при комнатной температуре.

Исследование Дмитрия Федянина и Марио Аджио посвящено созданию эффективных однофотонных источников с электрической накачкой — устройств, излучающих одиночные фотоны при пропускании электрического тока. Иными словами, они дают возможность сгенерировать одиночный фотон ”по требованиюЂ, просто приложив напряжение, причем вероятность получить на выходе ноль фотонов исчезающе мала, а генерация одновременно двух и более фотонов невозможна.

Еще недавно наиболее перспективными кандидатами на роль истинно однофотонных источников считались квантовые точки (наноразмерные частицы полупроводников), однако они работают лишь при очень низких температурах, и это один из их главный недостатков — массовое применение плохо сочетается с необходимостью охлаждать устройство жидким азотом или ещё более холодным жидким гелием, или же использовать еще более дорогие и энергоемкие холодильные установки. В тоже время, было известно, что некоторые точечные дефекты в кристаллической решетке алмаза, возникающие при случайном попадании или направленной имплантации в алмаз посторонних атомов (например, кремния или азота), можно заставить эффективно излучать одиночные фотоны при комнатной температуре, однако этого удавалось достичь только при оптическом возбуждении этих дефектов с помощью мощных лазеров.

Такой способ идеально подходит для исследований в научных лабораториях, но совершенно неэффективен в практических устройствах. Эксперименты же с электрическим возбуждением давали не самые впечатляющие результаты — по яркости алмазные источники сильно (на несколько порядков) проигрывали квантовым точкам. Поскольку теории, описывающей излучение центров окраски в алмазах при пропускании тока, не было — не представлялось возможным оценить потенциал таких источников одиночных фотонов и понять, смогут ли они стать основой квантовых устройств будущего.

Новая публикация даёт утвердительный ответ: на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать очень эффективные источники одиночных фотонов, причем даже более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек.

Переход на однофотонные технологии позволит не только более чем в тысячу раз повысить энергоэффективность существующих устройств обработки и передачи информации, но и откроет путь к созданию различных квантовых устройств. Если создание квантовых компьютеров еще остается перспективой будущего, то защищенные линии связи на основе квантовой криптографии начинают применяться уже сегодня. Однако, при этом используются не истинно однофотонные квантовые источники, а так называемые ослабленные лазеры (attenuated lasers). А значит, велика вероятность не только отправить в канал ноль фотонов, что на порядки снижает скорость передачи данных, но и послать одновременно два, три, четыре и более квантов света. Злоумышленник может перехватить эти ”добавочныеЂ фотоны, причем ни отправитель, ни получатель не будут об этом знать. Это делает канал связи уязвимым и лишает квантовую криптографию главного преимущества — фундаментальной защищенности перед любыми типами атак.

Для квантовых вычислений также критически важно иметь возможность оперировать отдельными фотонами. В классическом, то есть не квантовом, компьютере единицей информации выступает бит, который привязан к одному из двух состояний какой-либо физической системы; а в квантовом компьютере нужно использовать так называемые кубиты — соответствующие системе, способной находится как бы одновременно в двух разных положениях. Хорошей основой для кубита может быть одиночный фотон с его поляризацией. Реализация квантовых компьютеров на основе фотонов имеет огромное преимущество благодаря тому, что квантовые вычисления легко объединить с квантовой коммуникацией, а это позволит создавать сколь угодно большие и масштабируемые квантовые компьютеры и суперкомпьютеры, что невозможно сделать на основе других физических систем.

Дмитрию Федянину и Марио Аджио впервые удалось установить механизм электролюминесценции центров окраски в алмазе и разработать подход к его количественному описанию. Они выяснили, что не все состояния центров окраски можно возбудить электрически, несмотря на то, что они ”доступныЂ при оптическом возбуждении. Это связано с тем, что при оптической накачке дефекты ведут себя подобно изолированным атомам или молекулам (таким как водород или гелий), практически не взаимодействуя с кристаллом алмаза. Электрическое же возбуждение, наоборот, основывается как раз на обмене электронами между дефектом и кристаллом алмаза, в то время как при оптическом возбуждении, дефекты не расстаются со своими электронами.

Это обстоятельство не только вносит ограничения, но и открывает новые возможности. Например, по словам Дмитрия Федянина, некоторые дефекты могут за один акт излучить последовательно два фотона из разных зарядовых состояний, что открывает путь к принципиально новым квантовым устройствам обработки и передачи информации, которые ранее никто просто не рассматривал ввиду невозможности таких процессов при оптической накачке.

Но самым важным результатом работы является то, что исследователям удалось выяснить, почему ранее не удавалось наблюдать высокой интенсивности однофотонного излучения. Виной этому технологически сложный процесс легирования алмаза фосфором, который не позволял создать достаточную концентрацию электронов проводимости в кристалле.

Проведенные расчеты показывают, что современные технологии легирования позволяют достичь интенсивности однофтонного излучения более 100 тысяч фотонов в секунду, и характеристики только улучшаются при нагреве устройства: более 100 миллионов фотонов в секунду при 200 градусах Цельсия. ”Наш однофотонный источник — одно из немногих, если не единственное оптоэлектронное устройство, которое нужно нагреть, чтобы улучшить его характеристики, причем эффект улучшения составляет три порядка. Обычно же, наоборот, как электронные, так и оптические устройства нужно охлаждать, прикрепляя к ним радиаторы с вентиляторами или помещая их в жидкий азот,Ђ — говорит Дмитрий Федянин. По его словам технологическое совершенствование процесса легирования алмаза позволит увеличить яркость еще в 10-100 раз.

Сто миллионов фотонов — это очень мало по меркам бытовых источников света (так, обычная лампа накаливания даёт свыше 10^18 фотонов в секунду), но при этом следует отметить, что весь поток световых квантов создаёт единичный точечный дефект кристаллической решетки размером в несколько ангстрем (10^-10 метра) и, в отличие от лампы накаливания, фотоны следуют строго по одному друг за другом. Для квантовых компьютеров, о которых шла речь выше, и нескольких десятков тысяч фотонов в секунду будет более чем достаточно — на сегодня возможность создания квантовых вычислителей ограничена совсем иными факторами. А вот в квантовых линиях связи, использование алмазных однофотонных источников не только позволит абсолютно защитить соединение, но и на порядки повысит скорость передачи информации в сравнении с несовершенными псевдооднофтонными источниками на основе ослабленных лазеров.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector