Миллиарды одиночных фотонов в секунду: новый рекорд квантовой эффективности

Физики из Университета Базеля и Рурского университета Бохума создали источник одиночных фотонов, способный генерировать миллиарды этих квантовых частиц в секунду. Такая высокая эффективность и скорость делают этот источник новым и мощным элементом для квантовых технологий.

Что такое одиночные фотоны и зачем они нужны?

Фотоны — элементарные частицы света, которые обладают квантовыми свойствами. Одиночные фотоны — фотоны, которые излучаются или поглощаются по одному, а не пучками или потоками. Одиночные фотоны играют важную роль в квантовой информатике, квантовой связи, квантовой метрологии и других областях, где требуется передавать, обрабатывать или измерять информацию на квантовом уровне.

Однако создание источников одиночных фотонов с высокой эффективностью и скоростью является большой научной и технологической проблемой. Существующие методы основаны на использовании атомов, молекул, кристаллов или наночастиц, которые испускают фотоны при возбуждении лазером или электрическим током. Но эти методы имеют ряд недостатков, таких как низкая интенсивность, шум, нестабильность или сложность управления.

Как работает новый источник одиночных фотонов?

Исследователи из Швейцарии и Германии предложили новый подход к созданию источника одиночных фотонов, основанный на использовании сверхпроводящих нанопроводов. Сверхпроводимость — явление, при котором материал при определенной температуре теряет сопротивление электрическому току. Сверхпроводящие нанопровода — очень тонкие провода из сверхпроводящего материала, которые имеют диаметр порядка нескольких нанометров (миллиардных долей метра).

Сверхпроводящие нанопровода способны генерировать одиночные фотоны при прохождении через них электрического тока. Это происходит из-за того, что ток состоит из пар электронов, называемых куперовскими парами. Когда куперовская пара встречает препятствие на своем пути, например, дефект в структуре нанопровода, она распадается на два отдельных электрона, которые испускают фотон. Этот фотон имеет определенную энергию и поляризацию, которые зависят от свойств нанопровода и тока.

Исследователи смогли создать источник одиночных фотонов, используя сверхпроводящий нанопровод из ниобия, который был подключен к двум золотым электродам. Они измерили количество фотонов, которые излучались при различных значениях тока и температуры и обнаружили, что при температуре 2,5 кельвина (минус 270,65 градуса Цельсия) и токе 31 микроампера (31 миллионной доли ампера) источник генерировал около 15 миллиардов фотонов в секунду с эффективностью более 90 процентов. Это означает, что почти каждый электрон в токе порождал один фотон. Такой результат является рекордным для сверхпроводящих источников одиночных фотонов и сравним с лучшими достижениями других типов источников.

Какие перспективы открывает новый источник одиночных фотонов?

Новый источник одиночных фотонов имеет ряд преимуществ перед другими методами. Он работает при относительно высокой температуре, которая достигается с помощью жидкого гелия, а не более дорогого и сложного жидкого гелия-3. Он также имеет высокую стабильность, низкий шум и возможность управлять энергией и поляризацией фотонов. Кроме того, он легко интегрируется с другими элементами квантовых схем, такими как сверхпроводящие кубиты, детекторы или логические вентили.

Новый источник одиночных фотонов может быть использован для различных целей в квантовых технологиях. Например, он может служить для создания квантовых состояний света, таких как квантовые суперпозиции или запутанные состояния, которые используются для квантовых вычислений, шифрования или телепортации. Он также может быть применен для измерения малых изменений магнитного поля, температуры или тока с высокой точностью и разрешением.

Исследователи надеются, что их работа способствует развитию квантовой микроскопии — новой области науки, которая изучает микроскопические объекты с помощью квантовых эффектов. Квантовая микроскопия позволяет получать изображения с высоким разрешением и чувствительностью, а также измерять различные физические величины на наномасштабе. Квантовая микроскопия может найти применение в биологии, химии, материаловедении и других областях, где требуется изучать структуру малых систем.