Российские физики создали новый тип однофотонных излучателей на базе соединений неодима и коллоидных кристаллов из серы, селена, кадмия и цинка. Они очень стойки к действию окружающей среды и при этом легко синтезируются. Статью с описанием исследования опубликовал научный журнал Optics Letters, кратко об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда (РНФ).

«Простая технология изготовления делает нашу гибридную структуру легко доступной при производстве источников одиночных фотонов для приложений квантовой криптографии, совместимых с имеющимися оптоволоконными линиями», – рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник Физического института РАН Илья Тайдаков.

Надежные источники одиночных фотонов представляют собой один из самых важных компонентов квантовых вычислительных устройств и систем шифрования данных. Подобные излучатели нужны для передачи информации между отдельными компонентами квантового компьютера, без чего их практическое применение будет невозможным.

Как правило, большинство существующих разработок такого рода работают лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, что сильно ограничивает сферу их применения. Лишь несколько лет назад российские физики и их зарубежные коллеги создали первые прототипы источников одиночных фотонов, работающие при комнатных температурах, используя дефектные алмазы.

На пути к квантовому интернету

Экспериментируя с так называемыми коллоидными кристаллами, состоящими из нескольких слоев различных соединений серы и селена, а также цинка и кадмия, Тайдаков и его коллеги создали еще один тип однофотонных источников света, которые могут работать в очень широком диапазоне условий.

Коллоидные кристаллы по своему устройству похожи на классические кристаллы, но состоят не из отдельных атомов, объединенных в повторяющуюся кристаллическую решетку, а более крупных элементов, в том числе наночастиц разной формы, состава и размеров. Подобная особенность делает их интересными для создания различных оптических приборов с экзотическими свойствами.

В частности, российские ученые подобрали квантовые свойства созданных ими кристаллов таким образом, что те начали особым образом взаимодействовать с падающим на них светом. Это выражается в том, что эти структуры светятся не постоянно, а мерцают, испуская свет порциями, причем энергия внутри них накапливается с такой скоростью, что квазикристаллы могут испускать ее только в виде одиночных фотонов.

Эта энергия, выделяемая в ходе «темной фазы» этих мерцаний, захватывается оболочкой квазикристаллов, состоящей из органических соединений неодима. Его атомы используют эту энергию для выработки одиночных фотонов в ближней части инфракрасного спектра, идеально адаптированных для работы с уже существующими оптоволоконными сетями.

Как надеются ученые, простая технология изготовления подобных однофотонных излучателей позволит им быстро проникнуть в отрасль, что значительно ускорит разработку и создание защищенных квантовых линий связи и вычислительной техники уже в ближайшие годы.