Новости города БезФормата.Ru
Долгопрудный
Главные новости
 
Задать вопрос?

Алмазный «револьвер» защитит линии квантовой связи

Исследователи из Московского физико-технического института и Университета Зигена объяснили механизм генерации одиночных фотонов в алмазных диодах. Результаты работы , опубликованной в одном из ведущих физических журналов Physical Review Applied, открывают путь к созданию быстрых однофотонных источников для квантовых линий связи и квантовых компьютеров будущего.


Иллюстрация пресс-службы МФТИ, автор Lion_on_helium


Работа устройств на уровне одиночных фотонов открывает возможность создания принципиально новых систем для коммуникаций и вычислений, начиная от аппаратных генераторов истинно случайных чисел до квантовых компьютеров . Пожалуй, самой востребованной квантовой технологией сегодня является квантовая связь. Методы квантовой криптографии , опирающиеся на законы квантовой физики, позволяют защитить передаваемые данные так, что их фундаментально невозможно будет перехватить, не важно какими устройствами обладает злоумышленник, пусть даже и сверхмощным квантовым компьютером. Однако практическая реализация линий квантовой связи и других квантовых устройств требует эффективной генерации одиночных фотонов.


С практической точки зрения необходимо, чтобы источники одиночных фотонов работали при комнатной температуре и от электрической накачки, т. е., проще говоря, в нормальных условиях и от батарейки. Несмотря на очевидность этих требований, соблюсти их оказывается крайне сложно. Во-первых, все квантовые системы не любят высокие температуры, а это означает, что для их охлаждения требуется холодильник или криостат, охлаждающий их по крайней мере до температуры жидкого гелия, а то и ещё ниже — до нескольких милликельвинов, что составляет приблизительно −273 градуса по шкале Цельсия. Хотя использование таких установок у физиков уже вошло в привычку, едва ли в ближайшее время удастся создать подобный холодильник стоимостью в несколько долларов, а значит стоит забыть о массовом использовании подобных квантовых систем. Во-вторых, сама концепция квантовых систем подразумевает, что они практически не взаимодействуют с окружающим миром, по крайней мере неконтролируемо. Примером такой системы служит одиночный атом в камере с разреженным газом. Тем не менее, несмотря на то, что его взаимодействие с окружающей средой практически отсутствует, физики могут управлять его электронными состояниями, облучая камеру лазером и тем самым заставляя атом излучать одиночные фотоны. Однако накачивать электрически такую квантовую систему не представляется возможным. Активные исследования в области квантовой оптики и квантовой электроники в последние два десятилетия показали, что не только атомам газов, но и даже полупроводниковым структурам, таким как квантовые точки, не под силу справиться с задачей эффективной работы от электрической накачки при комнатной температуре, в то время как многие другие другие материалы просто не проводят ток.


Выходом из сложившейся тупиковой ситуации довольно неожиданно стал алмаз — материал с очень необычными свойствами на стыке полупроводников и диэлектриков. Оказалось, что в алмазе центры окраски — точечные дефекты в кристаллической решётке, возникающие при случайном попадании или направленной имплантации в алмаз посторонних атомов — могут выступать в роли квантовых систем и показывать превосходные излучательные характеристики. Более того, удалось продемонстрировать, что при пропускании тока эти квантовые системы могут излучать одиночные фотоны. Однако физика происходящего процесса была неизвестна и не было понятно, что нужно делать, чтобы создать на основе центров окраски быстрые и эффективные источники.


В своей работе физики из МФТИ и Университета Зигена установили механизм однофотонного излучения NV-центров в алмазе при пропускании тока и определили, что влияет на динамику излучения фотонов. Согласно их исследованиям, процесс можно разделить на три стадии: (1) захват электрона центром окраски, (2) захват дырки (или, что то же, отдача электрона), (3) переход между электронными уровнями в центре окраски, которые вместе формируют механизм, похожий на принцип действия револьвера. Представим, что выстрел — это излучение одиночного фотона. Чтобы выстрелить, нужно сначала большим пальцем взвести курок (дефект должен захватить электрон). Затем нужно нажать на спусковой крючок. Это запускает спусковой механизм, и курок, обретя импульс, ударяет по капсюлю патрона. Именно этому «обратному» ходу курка и соответствует захват дырки центром окраски в алмазе. Далее заряд в капсюле взрывается, поджигает порох и под действием пороховых газов вылетает пуля. Аналогичным образом дырка в центре окраски испытывает переходы между возбуждёнными уровнями и основным уровнем, в результате чего происходит эмиссия фотона. Затем всё повторяется по тому же сценарию за одним лишь исключением: нам не нужен новый патрон, центр окраски может излучить сколько угодно фотонов по одному за раз.


На практике очень важно получать фотоны именно в моменты времени, когда они нужны, поскольку после генерации фотоны улетают со скоростью света. « Вспомните ковбойские дуэли в вестернах. Например, два стрелка начинают стрелять строго по бою часов. Побеждает обычно тот, кто выстреливает первым. Ценой за промедление является жизнь. Точно так же для квантовых устройств жизненно важно генерировать фотоны «по требованию» в строго определённые моменты времени » , — говорит Дмитрий Федянин . В своей работе исследователи показывают, что определяет время отклика алмазного однофотонного источника, т. е. через какое время он может излучить фотон, и какова вероятность испустить ещё один фотон через время τ после испускания первого. Оказывается, что этими временами можно управлять и на порядки улучшать их как путём изменения характеристик алмаза, например при помощи легирования, так и контролируя концентрации инжектированных в алмаз носителей заряда. Кроме того, по словам Дмитрия Федянина, помещая центр окраски в разных областях алмазного диода, можно управлять начальным состоянием центра окраски, подобно тому как стрелки предварительно взводят курок, чтобы быстрее выстрелить, или ставят револьвер на предохранитель.


Предложенная исследователями физическая модель отвечает на фундаментальные вопросы о поведении центров окраски в алмазе. Разработанная теория не только качественно объясняет, но и количественно воспроизводит недавние экспериментальные результаты. Это открывает путь к созданию практичных источников однофотонного излучения с заданными характеристиками, что необходимо для реализации устройств квантовой информации, таких как защищённые линии связи на основе квантовой криптографии.


Ссылка на оригинальную статью: I. A. Khramtsov, M. Agio, D. Yu. Fedyanin, Dynamics of single-photon emission from electrically pumped color centers , Physical Review Applied 8, 024031 (2017).


Виктория Панфилова Серию квест-игр по Правилам дорожного движения провели сотрудники Госавтоинспекции вместе с воспитателями в дошкольных учреждениях города Орехово-Зуево и района.
19.11.2017 Oz-on.Ru
Школьников зовут на экологический фестиваль - OpenDubna.RuВ рамках Года экологии в Московской области 30 ноября в Ивантеевке пройдет областной творческий школьный фестиваль «Вернем Земле ее цветы!».
18.11.2017 OpenDubna.Ru
Экологический урок в Рузе - Правительство Московской областиИсточник: ©, пресс-служба администрации Рузского городского округа Экологический урок провели в гимназии Рузы, ученики узнали о том, как правильно обращаться с опасными отходами и ответили на ряд вопросов по экологии,
18.11.2017 Правительство Московской области
Будущим школьникам рассказали, как самостоятельно передвигаться из дома на учебу и обратно - ТК КварцФото: ОГИБДД УМВД России по г.о. Подольск Будущие дошколята из детского сада № 39 пообщались с сотрудниками ГИБДД.
18.11.2017 ТК Кварц
Микрофон в зрительном зале - Правительство Московской областиИсточник: Фотобанк Московской области, Александр Кожохин Более 70 участников из 20 городов Подмосковья приехали для участия в Московском областном открытом вокальном фестивале-конкурсе «Поклонимся великим тем годам»,
18.11.2017 Правительство Московской области
Растения в оранжерее - Правительство Московской областиИсточник: Фотобанк Московской области Преподаватели школы № 29 в Подольске создали проект и начали строить уникальную автономную оранжерею на возобновляемых источниках энергии,
18.11.2017 Правительство Московской области
Подольские школьники готовят к запуску космический спутник - ТК КварцФото: ТВ "Кварц" Первый космический спутник готовят к запуску учащиеся 29-й школы.
18.11.2017 ТК Кварц
Школьники на лекции - Правительство Московской областиИсточник: ©, пресс-служба администрации городского округа Химки В Пущине 18 ноября пройдет XIX экологическая научно-практическая конференция школьников «Экополис – город будущего 2017»,
18.11.2017 Правительство Московской области
Школьников зовут на экологический фестиваль - OpenDubna.RuВ рамках Года экологии в Московской области 30 ноября в Ивантеевке пройдет областной творческий школьный фестиваль «Вернем Земле ее цветы!».
18.11.2017 OpenDubna.Ru
Виктория Панфилова Серию квест-игр по Правилам дорожного движения провели сотрудники Госавтоинспекции вместе с воспитателями в дошкольных учреждениях города Орехово-Зуево и района.
19.11.2017 Oz-on.Ru
Работа в офисе - Правительство Московской областиИсточник: Фотобанк Московской области, Александр Кожохин Победителей областного конкурса социальных проектов и инициатив по профилактике безнадзорности и правонарушений несовершеннолетних наградили в Подмосковье,
17.11.2017 Правительство Московской области
В назидание потомкам - Люберецкая газета
В назидание потомкам
Капсулу с посланием к потомкам от первых выпускников Люберецкой средней общеобразовательной школы № 9 торжественно вскрыли на прошлой неделе.
Люберецкая газета
День открытых дверей в УМВД для старшеклассников и студентов колледжа - Копейка
День открытых дверей в УМВД для старшеклассников и студентов колледжа
16 ноября в здании УМВД России по Сергиево-Посадскому району для старшеклассников общеобразовательных школ и студентов Сергиево-Посадского колледжа состоялся день открытых дверей.
Копейка
И школа изменится! - Дмитровский вестник
И школа изменится!
​​​​​​​Уникальные тренинги по курсу «Стратегические сессии. Образование 2020.
Дмитровский вестник
Как стало известно редакции lubernet.ru, в городском округе Котельники около 16:00 произошло нападение гражданки одной стран ближней Азии на двух школьниц, которые находились на территории детской площадки,
18.11.2017 LuberNet.Ru
В Королеве собаки загрызли пенсионерку - E-vanteevka.RuПожилая женщина скончалась от укусов собак, возбуждено уголовное дело.
17.11.2017 E-vanteevka.Ru
В серьёзных ДТП пострадали водители и пассажир - КопейкаЗа период, с 10 по 17 ноября текущего года сотрудниками отдела ГИБДД УМВД России по Сергиево-Посадскому району зарегистрировано 66 ДТП с материальным ущербом, а также три происшествия в которых пострадали люди.
17.11.2017 Копейка
Подозреваемую в хранении и сбыте гашиша задержали в Дмитровском районе - Дмитровский вестник
Подозреваемую в хранении и сбыте гашиша задержали в Дмитровском районе
Сотрудники отдела по контролю за оборотом наркотиков возле одного из домов в селе Куликово в Дмитровском районе Подмосковья задержали 39-летнюю местную жительницу, подозреваемую в сбыте наркотических средств,
Дмитровский вестник
Самые крупные взрывы бытового газа в регионах России начиная с 2000 года - Орехово-Зуевская правда
Самые крупные взрывы бытового газа в регионах России начиная с 2000 года
В Ижевске 9 ноября из-за взрыва бытового газа обрушилась часть жилого девятиэтажного дома, о других аналогичных крупнейших случаях обрушения домов — в справке Коммерсантъ-Online Автор фотографии:
Орехово-Зуевская правда
Взрыв газа произошел на газораспределительной станции в Щурове - Коломенская правда
Взрыв газа произошел на газораспределительной станции в Щурове
Сегодня днем в микрорайоне Ларцевы Поляны произошел хлопок газовоздушной смеси в одноэтажном кирпичном здании газораспределительной станции.
Коломенская правда
DSC08623 - OdiNews.RuПоводом для сокращения расходов на культуру стал, как ни странно, портал для помощи жителям «Добродел».
19.11.2017 OdiNews.Ru
Концертные программы к Дню матери, эко-путешествия и многое другое - За новую жизньДетская библиотека-филиал МБУК ЦБС 22 ноября  в 14 часов, читальный зал — встреча работников библиотеки с обучающимися образовательных учреждений и презентация конкурса «Живая классика».
19.11.2017 За новую жизнь
«Юность» из Красногорска победила в международном танцевальном конкурсе - Красногорские вестиОбразцовый коллектив ансамбль танца «Юность» красногорского муниципального «Центра творчества» стал победителем I Московского международного конкурса русского танца им.
19.11.2017 Красногорские вести
Организм всегда должен находиться в боевой готовности - Люберецкая газета
Организм всегда должен находиться в боевой готовности
Зрительскую любовь Андрей Финягин завоевал давно. В кино он талантливо играет как порядочных людей и сердцеедов, так и редкостных негодяев и подлецов.
Люберецкая газета
Красота случается нечаянно… - Люберецкая газета
Красота случается нечаянно…
В Люберецкой центральной библиотеке имени Сергея Есенина на днях собрались друзья и самые преданные поклонники творчества ветерана радиожурналистики – Заслуженного работника культуры Российской Федерации,
Люберецкая газета
Дайджест мероприятий на выходные 18 и 19 ноября и последующую неделю в Звенигороде - Звенигородские ведомости
Дайджест мероприятий на выходные 18 и 19 ноября и последующую неделю в Звенигороде
Редакция «ЗВ» составила дайджест интересных событий, которые пройдут в Звенигороде в выходные дни выходные 18 и 19 ноября, а также на последующую рабочую неделю.
Звенигородские ведомости
Последняя домашняя игра года принесла три очка - ФК ХимкиСегодня вечером красно-черные завершили домашние матчи 2017 года победой над томской «Томью» со счетом 3:1.
18.11.2017 ФК Химки
Химки готовятся к FIFA – 2018 - Химские новостиВ Химках продолжается подготовка к предстоящему масштабному спортивному событию — чемпионату мира по футболу — 2018.
19.11.2017 Химские новости
Министерство ЖКХ МО оценило масштабы благоустройства в Химках - Химские новостиС рабочим визитом Химки посетил заместитель министра жилищно-коммунального хозяйства Московской области Алексей Беловодов.
19.11.2017 Химские новости
Начался Второй чемпионат по волейболу в Люберцах - Люберецкая панорама
Начался Второй чемпионат по волейболу в Люберцах
ЛЮБЕРЦЫ. 19 ноября. INLUBERTSY.RU - 18 ноября Спорткомитетом округа при поддержке Люберецкой администрации в лице Владимира Ружицкого,
Люберецкая панорама
Подмосковный спортсмен претендует на победу в конкурсе «Гордость России» - Химские новости
Подмосковный спортсмен претендует на победу в конкурсе «Гордость России»
Представитель спортивной школы «Химки» рапирист Дмитрий Жеребченко вошел в тройку номинантов конкурса «Гордость России».
Химские новости
В Нахабине прошел турнир округа Красногорск по каратэ - Красногорские вести
В Нахабине прошел турнир округа Красногорск по каратэ
В турнире зарегистрировались 155 спортсменов, но многие соревновались в нескольких дисциплинах, поэтому участников было больше – 344.
Красногорские вести
Губернатор Воробьев - Правительство Московской областиИсточник: Пресс-служба Губернатора Московской области, Александр Щемляев Губернатор Московской области Андрей Воробьев в воскресенье прилетает в Японию в рамках роуд-шоу,
19.11.2017 Правительство Московской области
3851d89500314647861348af51f2af6b - Ramns.Ru20 ноября в Ново-Харитоновской средней общеобразовательной школе №10 Раменского района пройдет пленарное заседание Ассоциации «Лидеры образования Подмосковья».
19.11.2017 Ramns.Ru
Воробьёв посетит мусоросжигательный завод в Японии - РТВ-ПодмосковьеГубернатор Московской области побывает на предприятии, занимающемся переработкой мусора в Японии.
19.11.2017 РТВ-Подмосковье
Стартовал Второй  чемпионат Люберецкого округа по волейболу - ИнфоЛюберцыИнфоЛюберцы – 19 ноя. 18 ноября Спорткомитетом округа при поддержке Люберецкой администрации в лице Владимира Ружицкого, а также руководства ДС «Триумф» был дан старт Второму чемпионату городского округа Люберцы по волейболу,
19.11.2017 ИнфоЛюберцы