Одним из элементов будущих квантовых компьютеров являются матрицы надежных источников единичных фотонов, при помощи которых кодируется передаваемая и обрабатываемая информация. Большинство ученых считают квантовые точки различных типов идеальными кандидатами на «должность» таких источников. Однако исследователи из университета Цукубы (University of Tsukuba), Япония, продемонстрировали, что арсенид галлия (GaAs), полупроводниковый материал с добавками атомов некоторых других элементов, является более надежным источником единичных фотонов, нежели квантовые точки любых типов. Использование источников на базе допированного арсенида галлия позволит получить более четкую и определенную последовательность фотонов, при этом, параметры фотонов, излученных из одного или различных таких источников, практически не отличаются друг от друга.

«Нам удалось продемонстрировать работу полупроводникового источника единичных фотонов, что является существенным шагом к разработке новых технологий квантовой обработки информации. И самым удивительным является то, что основой этого источника стали обычные и хорошо изученные полупроводники III-V группы с введенными в них дополнительными примесями» – рассказывает Мичио Икесава (Michio Ikezawa), профессор из университета Цукубы, – «В этом источнике используется так называемый эффект наложения волновых пакетов и за счет этого эффекта все испускаемые фотоны имеют идеально совпадающий набор основных параметров, таких, как энергия, пространственная ориентация, поляризация, время появления и т.п.»

В качестве примеси к арсениду галлия японские ученые использовали атомы азота. Получение этого материала проводилось при участии исследователей из японского Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science), который так же располагается в городе Цукуба. В созданных источниках единичных фотонов используется новый способ излучения света при помощи так называемых изоэлектронных ловушек. Из-за достигнутой высокой однородности легирования арсенида галлия атомами азота на одном кристалле полупроводникового материала образуется целая упорядоченная матрица таких ловушек, каждая из которых представляет собой отдельный источник единичных фотонов. Фотоны света с модулированными заданным образом квантовыми характеристиками, «рожденные» внутри изоэлектронных ловушек, имеют долгое время жизни, в течение которого сохраняются неизменными квантовые характеристики этих фотонов, что само по себе является необходимым для построения будущих квантовых компьютеров.

Для проверки полной идентичности излучаемых фотонов ученые использовали эффект Хонга-У-Мандела (Hong-Ou-Mandel). Два идентичных фотона были запущены через два входных порта в устройство, внутри которого было произведено их высокоточное совмещение. Это устройство представляет собой нечто наподобие интерферометра, который измеряет эффект взаимодействия между двумя фотонами. При полном совпадении всех параметров двух фотонов и закодированной в них квантовой информации при взаимодействии они должны полностью «погасить» друг друга, а устройство-интерферометр предназначалось для измерения параметров фотона, оставшегося после взаимодействия двух фотонов в случае наличия некоторых различий между характеристиками исходных фотонов.

Используя такой подход, который является первой в истории реализации подобного вида измерений, исследователи выяснили, что фотоны, излучаемые допированными полупроводниками III-V группы, имеют гораздо более высокое подобие друг другу, нежели фотоны, излучаемые источниками на основе квантовых точек различных типов, которые использовались в этом эксперименте в сравнительных целях.

В дальнейших исследованиях японские ученые будут пытаться уменьшить и без того малые различия между испускаемыми фотонами. Для этого им потребуется найти механизм подавления некоторых нежелательных эффектов, которые были обнаружены во время первого эксперимента.