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).


 
По теме
Налогообложение физических лиц в ТСН, ДНТ, ОНТ и СНТ - Газета Факт Администрация городского округа Балашиха совместно с ИФНС России по г. Балашихе Московской области проводит обучающий семинар по теме «Налогообложение физических лиц в ТСН, ДНТ, ОНТ и СНТ.
17.07.2018
В Подольском городском парке с юными велосипедистами проведено  занятие  по правилам управления велосипедом - SMINEWS в Подольске Фото: ОГИБДД УМВД России по городскому округу Подольск В оздоровительных лагерях дневного пребывания на базах общеобразовательных школ сотрудниками ГИБДД совместно с педагогами проводятся занятия по безопасности дор
16.07.2018
Лучшие из лучших! - МГИК     С 10 по 16 июля 2018 года в городе Туапсе на Черноморском побережье при поддержке Министерства культуры РФ состоялся VII Финал по инструментальной музыке проекта “Лучший из лучших”.
16.07.2018
 
Стажировка подмосковных педагогов - Администрация г. Серпухов В рамках реализации инициатив Президента и государственной программы в Подмосковье большое внимание уделяется качеству образования.
16.07.2018
Андрей Воробьев: "Подмосковье заинтересовано в стабильном развитии предприятий ОПК" - Рузский район Правительство Московской области заинтересовано в том, чтобы предприятия оборонно-промышленного комплекса в регионе развивались и их кадровый состав пополнялся выпускниками лучших вузов,
16.07.2018
Кликните для увеличения - Духовная академия 15 июля 2018 года, выпускной день Московской духовной академии, преподаватели, выпускники, студенты и гости академии собрались в Покровском академическом храме, чтобы помолиться за Божественной литургией.
16.07.2018
 
В Подольском городском парке с юными велосипедистами проведено  занятие  по правилам управления велосипедом - SMINEWS в Подольске Фото: ОГИБДД УМВД России по городскому округу Подольск В оздоровительных лагерях дневного пребывания на базах общеобразовательных школ сотрудниками ГИБДД совместно с педагогами проводятся занятия по безопасности дор
16.07.2018 SMINEWS в Подольске
Налогообложение физических лиц в ТСН, ДНТ, ОНТ и СНТ - Газета Факт Администрация городского округа Балашиха совместно с ИФНС России по г. Балашихе Московской области проводит обучающий семинар по теме «Налогообложение физических лиц в ТСН, ДНТ, ОНТ и СНТ.
17.07.2018 Газета Факт
Учитель обществознания и истории высшей квалификационной категории, обладатель золотой медали «Почетный педагог России», член Общественных палат Московской области и Звенигорода,
16.07.2018 Звенигородские ведомости
Герои среди нас - ГУ МЧС МО 1 июля 2018 года жители Московской области города Краснознаменска во дворе дома на улице Гагарина дом 5 наблюдали пугающую картину, как девочка, сорвавшись из окна застекленного балкона на седьмом этаже,
17.07.2018 ГУ МЧС МО
16 июля спасатели получили звонок от мужчины, который сообщал, что находится в грязевой яме Реальная ситуация оказалась гораздо банальнее, яму прибывшие на место спасатели так и не нашли.
16.07.2018 Газета Новые Известия
Афиша Дня города - OpenDubna.Ru Какие увеселительные мероприятия ожидают горожан в День города? День здоровья, рок-концерт, фестиваль водных видов спорта, парад оркестров, галерея мастеров, выступления ученых, художников, бардов и, конечно же,
17.07.2018 OpenDubna.Ru
Афиша мероприятий в Долгопрудном с 16 по 22 июля. «ПАРК КУЛЬТУРЫ И ОТДЫХА»  (Центральный парк, парк на ул.
16.07.2018 Долгие Пруды
В музеях Московской области хранятся редкие экспонаты, рассказывающие об эпохе царствования династии Романовых, сообщает пресс-служба Министерства культуры Московской области.
16.07.2018 Красногорские вести
Алексей Кузнецов: «Руки не опускаю: тренируюсь, ищу варианты усовершенствования своей подготовки» - Куйбышевец Алексей Кузнецов – 12-кратный чемпион России в метании копья. Причем побед на главном старте страны, учитывая участие в соревновательной программе толкания ядра и метании диска превысит два десятка.
17.07.2018 Куйбышевец
Сборная Франции отблагодарила «Русский пармезан» - Истринские ВСети Действующие чемпионы мира подарили истринским сыроварам мяч с автографами в благодарность за вкусный сыр и йогурты «Сегодня мы проводили наших истринских французов, ставших чемпионами мира.
17.07.2018 Истринские ВСети
Пассажиры совершают порядка 6% оплат за проезд в автобусах «Мострансавто» банковскими картами Фотобанк Московской области Пассажиры совершают порядка 6% оплат за проезд в автобусах «Мострансавто» банковскими картами,
17.07.2018 Подольский рабочий
Премия Наше Подмосковье - Правительство Московской области Источник: ©, сайт премии «Наше Подмосковье» В муниципалитетах Подмосковья завершились личные презентации проектов, поданных авторами на соискание премий губернатора Московской области «Наше Подмосковье», для тех,
17.07.2018 Правительство Московской области
Немного похолодает в Люберцах - ИнфоЛюберцы ИнфоЛюберцы – 17 июл. Как сообщает городской сайт ИнфоЛюберцы, в Московском регионе, по прогнозам синоптиков, столбик термометра опустится на не пару-тройку градусов.
17.07.2018 ИнфоЛюберцы
На выездной пресс-конференции в городском поселении Куровское, часть своего выступления Главный государственный административно-технический инспектор Московской области Татьяна Витушева посвятила проделанной работе по пр
17.07.2018 Серп и Молот
В рамках реализации партийного проекта «Единой России» «Безопасные дороги» члены Балашихинского отделения Партии совместно с представителем подрядной организации проверили качество укладки асфальта на Луговом проезде
17.07.2018 Единая Россия
С 9 по 16 июля в «ЕДДС городского округа Зарайск» поступило 849 звонков. Из них на телефон оперативного дежурного ЕДДС — 446 звонков, по системе 112 — 403 звонка.
17.07.2018 За новую жизнь