Российские ученые разработали излучатель нового поколения, способный испускать одиночные фотоны. Прибор изготовлен на основе гибридной структуры, состоящей из трехслойных коллоидных кристаллов и органического комплекса иона неодима, структура устойчива к воздействиям температуры и окружающей среды. Простая технология изготовления делает ее легкодоступной при производстве источников для приложений квантовой криптографии.

Результаты опубликованы в журнале Optics Letters.

Однофотонные излучатели — важные элементы систем квантовых коммуникаций. Они создают фотоны, которые перемещаются по оптоволоконному кабелю, передавая сигнал, который невозможно перехватить. Однако существующие излучатели либо сложны в изготовлении, либо уязвимы для внешних воздействий, таких как температура.

Группе исследователей из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН при поддержке Президентской программы Российского научного фонда удалось преодолеть эти ограничения. Для этого был создан гибридный материал, состоящий из трехслойных нанокристаллов CdSe/CdS/ZnS, окруженных оболочкой из специально подобранного комплексного соединения редкоземельного иона неодима с органическими молекулами.

Уникальной особенностью нанокристаллов стала способность «мерцать». При непрерывном облучении возбуждающим светом его переизлучение происходит не непрерывно, а с промежутками. Причина этого явления — в квантовой природе объекта. Путем тщательного подбора компонентов гибридного материала ученым удалось добиться того, что в «темном» периоде мерцания энергия от нанокристалла передается на ион неодима, который и высвечивает ее избыток. Причем это происходит не в видимом, а в ближнем инфракрасном диапазоне, идеально совместимом с кварцевым оптоволокном, используемым в оптических линиях связи.

«Режим однофотонной эмиссии иона неодима в гибридной структуре зависит от скорости накопления энергии нанокристалла. Основываясь на простой модели передачи энергии от нанокристаллов к иону, мы смогли определить необходимую мощность накачки для достижения однофотонного режима. Простая технология изготовления делает нашу гибридную структуру легкодоступной при производстве источников одиночных фотонов для приложений квантовой криптографии, совместимых с имеющимися оптоволоконными линиями», — подчеркивает один из авторов исследования Илья Тайдаков.

Квантовые коммуникации чрезвычайно важны для государственных структур, бизнеса и военных организаций. Благодаря особому принципу работы их почти невозможно взломать, так как это противоречит фундаментальным законам. Система похожа на телефон из стаканчиков: два пластиковых стаканчика соединяются между собой веревкой, по которой проходит звуковая волна. Если в момент разговора кто-то будет держать веревку, то волна не сможет пройти и разговор не состоится.