Физики разработали теоретический базис для создания ярких однофотонных источников на основе дефекта кристаллической решетки алмаза при комнатной температуре — это поможет созданию квантовых компьютеров и защищенных линий связи.

Ученые из России и Италии теоретически обосновали способ создания источников излучения одного фотона, используя дефекты в кристаллической решетке алмаза. Такой способ может в будущем привести в созданию квантовых компьютеров и защищенных линий связи, говорится в пресс-релизе МФТИ. Результаты работы опубликованы в одном из ведущих физических журналов New Journal of Physics.

Задачи создания оптических устройств, которые могли бы быстро передавать информацию, например, в сетях связи или квантовых компьютерах, давно волнуют многих физиков в мире. Одним из перспективных методов считается создание устройства, которое излучает один фотон — квант света, но не случайным образом, а по сигналу. То есть физикам хотелось бы управлять излучением и поведением одного фотона. В качестве однофотонных источников перспективно исследовать квантовые точки, которые представляют собой частицы полупроводника нанометрового размера. Проблема в том, что для их работы нужны очень низкие температуры, которые достигаются охлаждением жидким азотом или гелием, что ограничивает сферу применения.

Более перспективным методом может быть использование точечных дефектов кристаллической решетки алмазов. Их можно создать, подмешав атомы кремния или азота в процессе выращивании кристаллов искусственных алмазов. С помощью таких дефектных алмазов можно получить однофотонные источники при комнатной температуре. Этим и занялись физики Дмитрий Федянин из МФТИ и Марио Аджио, представляющий несколько институтов, в том числе Национальный институт оптики в Италии.

Ученые придумали, как возбудить оптический источник не с помощью лазера, что трудно на практике, а с помощью электрического тока. Требовалось не только получить однофотонный источник в алмазе, но и сделать его достаточно ярким по сравнению с квантовыми точками. Теоретической базы для такого рода работ не было, и авторы статьи решили восполнить этот пробел.

Их теоретические изыскания оказались успешными, и ученым удалось показать, что

«на основе дефектов в структуре алмаза на атомном уровне можно сделать очень эффективные источники одиночных фотонов, причем даже более перспективные, чем аналогичные устройства на основе квантовых точек», говорится в пресс-релизе.

Федянин с коллегой также выяснили, почему раньше не удавалось получить яркие однофотонные источники на основе алмазов. Все дело было в технологии обогащения алмаза фосфором, который мешал достичь нужной концентрации электронов проводимости в кристалле. По мнению авторов статьи, улучшив технологию получения алмазов, можно увеличить яркость источников еще в 10–100 раз.

Физики возлагают большие надежды на однофотонные технологии. Если они научатся управлять одиночными фотонами, то там рукой подать до устройств обработки и передачи информации, которые энергоэффективнее нынешних более чем в тысячу раз. А в будущем — и до квантового компьютера.