Благодаря алмазам сделан важный шаг к квантовому интернету

Алмазный материал имеет большое значение для будущих технологий, таких как квантовый интернет. Специальные дефектные центры могут использоваться в качестве квантовых битов (кубитов) и излучать отдельные частицы света, которые называются одиночными фотонами.


Чтобы обеспечить передачу данных с приемлемой скоростью на большие расстояния в квантовой сети, все фотоны должны собираться в оптических волокнах и передаваться без потерь. Также необходимо обеспечить, чтобы все эти фотоны имели одинаковый цвет, то есть одинаковую частоту. Выполнить эти требования до недавних пор не удавалось.

Но вот учёные впервые добились успеха в генерации и обнаружении фотонов со стабильными частотами фотонов, излучаемых квантовыми источниками света, или, точнее, из центров дефектов с азотными вакансиями в алмазных наноструктурах. Исследователи из группы интегрированной квантовой фотоники, возглавляемой профессором Тимом Шредером из Берлинского университета Гумбольдта Статья, опубликовали статью об успехах в журнале Physical Review X.

Они добились результатов благодаря тщательному выбору алмазного материала, сложным методам нанопроизводства, выполненным в Совместной лаборатории алмазной нанофотоники Института Фердинанда-Брауна и Института Лейбница, а также специальным протоколам экспериментального контроля. Оказалось, что шум электронов, который ранее нарушал передачу данных, можно значительно уменьшить, так что фотоны излучаются на стабильной частоте.

Кроме того, берлинские исследователи показали, что текущие скорости связи между пространственно разделёнными квантовыми системами можно увеличить более чем в 1000 раз с помощью разработанных методов — и это важный шаг к будущему квантовому интернету.

Ученые интегрировали отдельные кубиты в оптимизированные алмазные наноструктуры. Эти структуры в 1000 раз тоньше человеческого волоса и позволяют направлять излучаемые фотоны в стеклянные волокна.

Однако во время изготовления наноструктур поверхность материала повреждается на атомарном уровне, и свободные электроны создают неконтролируемый шум для генерируемых частиц света. Так что обычно шум, сравнимый с нестабильной радиочастотой, вызывает колебания частоты фотонов, и так возникает препятствие перед успешными квантовыми операциями, такими как запутывание.

Особенность используемого материала — относительно высокая плотность атомов примеси азота в кристаллической решётке. Они-то, как полагают учёные, и защищают квантовый источник света от электронного шума на поверхности наноструктуры. Однако точные физические процессы необходимо изучить более подробно в будущем, признала Лаура Орфал-Кобин, которая исследует квантовые системы вместе с профессором Тимом Шредером.

Выводы из экспериментов подтверждаются статистикой и моделированием, которые доктор Грегор Пиплоу из той же исследовательской группы разрабатывает и внедряет вместе с физиками-экспериментаторами.