МФТИ: квантовый алмаз может стать сердцем квантовой связи будущего

Ученые из России и Италии научились превращать "бракованные" алмазы в излучатели одиночных фотонов, которые могут стать основой системы квантовой связи и квантовых компьютеров будущего, говорится в статье, опубликованной в New Journal of Physics.

"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," — заявил Дмитрий Федянин из Московского физтеха в Долгопрудном.

Надежные источники одиночных фотонов считаются одним из важнейших компонентов квантовых вычислительных устройств. Такие устройства необходимы для передачи информации между отдельными узлами квантового компьютера, без чего их промышленное применение будет невозможным. Как правило, большинство существующих разработок такого рода работает лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, что сильно ограничивает сферу их применения.

Федянин и его коллега Марио Аджио (Mario Agio) из Национального института оптики во Флоренции (Италия) создали один из немногих высокотемпературных излучателей одиночных частиц света, используя особые "бракованные" синтетические алмазы.
Физики превратили алмаз в светодиод, испускающий одиночные фотоны


Речь идет о сверхчистых алмазах, в кристаллическую решетку которых вставлен один или несколько чужеродных атомов, образующих особую структуру с необычными квантовыми свойствами, способную излучать фотоны при определенных условиях.

В 2012 году физики из Японии и Европы уже использовали этот эффект для создания прибора, аналогичного по свойствам излучателю Федянина и Аджио, используя азот, а не фосфор и бор.

Как пишут исследователи, этот эффект уже использовался учеными для создания однофотонных источников света, однако в почти всех таких случаях свет вырабатывался в результате действия луча лазера на алмаз, а не под действием электрического тока, что заметно ограничивало практическую применимость подобных излучателей фотонов. 

В случае с изобретением Федянина и Аджио источником излучения служит так называемая квантовая электролюминесценция — свечение атомов под действием электрического поля или тока. По словам исследователей, такой эффект ранее не наблюдался при комнатной температуре, а сами источники света примерно в тысячу раз энергоэффективнее, чем их главные "конкуренты" – так называемые квантовые точки.

Кроме того, Федянин и Аджио обнаружили, благодаря разработанной ими теории того, как работают подобные приборы, одно из самых необычных свойств таких излучателей – оказалось, что эффективность их работы растет при нагреве. Так, к примеру, при комнатной температуре один дефект может излучать примерно 100 тысяч фотонов в секунду, а повышение температуры до 200 градусов Цельсия увеличивает их число до 100 миллионов.

Это, как считают физики, поможет нам создать высокоскоростные линии квантовой связи, скорость работы которых будет почти не уступать той, с которой "общаются" обычные компьютерные сети.

 P.S. Будет куда утилизировать тепло от охлаждаемых элементов.