Российские ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе разработали мельчайшие объекты для микроэлектроники, способные излучать одиночные фотоны. Доклад, посвященный этой разработке, ее практическому применению и потенциалу развития, представил на пленарном заседании форума «Микроэлектроника 2025» доктор физико-математических наук Алексей Акимович Торопов.
Однофотонные источники, то есть устройства, способные генерировать свет фактически по одному фотону, играют ключевую роль в технологиях, связанных с квантовыми вычислениями. Эти уникальные объекты кардинально отличаются от обычных ламп или лазеров. Когда мы включаем свет, мы видим поток из триллионов фотонов, непрерывный и хаотичный. Однофотонный излучатель, напротив, испускает световые частицы строго поштучно, подобно метроному, выдающему один тик за раз. Это свойство становится фундаментальным для таких перспективных направлений, как квантовая криптография, где информация кодируется в состоянии отдельных фотонов, а любая попытка перехвата неизбежно нарушает их хрупкое состояние.
Одним из наиболее практичных и изучаемых типов таких излучателей являются квантовые точки. Их можно представить как искусственные атомы. Если в обычном полупроводнике, например, в чипе процессора, электроны могут свободно перемещаться, то квантовая точка — это наноразмерная «клетка», которая запирает электроны в трех измерениях. Попадая в такую ловушку, электроны ведут себя не как свободные частицы, а подобно электронам в настоящем атоме: они могут занимать только строго определенные энергетические уровни. Переход электрона с высокого уровня на низкий сопровождается испусканием фотона, причем его цвет, или длина волны, идеально контролируется размером точки. Чем точка меньше, тем более энергиальный, то есть «синий», фотон она испускает.
«Предполагается, что у нас есть двухуровневая квантовая система, которая возбуждается короткими лазерными импульсами — настолько короткими, что система не успевает излучить второй фотон и выдает только один. В идеале такой источник должен на каждый импульс накачки выдавать ровно один фотон. Но, к сожалению, таких источников пока не сделано. Поэтому очень важный параметр — это яркость, или эффективность источника одиночных фотонов: вероятность излучения фотона за один импульс накачки. В идеале она должна быть 100%. Теперь о мотивации — это квантовые коммуникации, в первую очередь системы квантового распределения ключей (КРК). Исторически именно здесь возникла необходимость в разработке и применении источников одиночных фотонов, по крайней мере, для многих протоколов квантовой криптографии, работающих в телекоммуникационных диапазонах, идеально — на длине волны 1,55 микрона, где минимальны потери в оптическом волокне и в атмосфере», —отметил А.А. Торопов.
Сегодня ученые в основном работают с сильно ослабленными лазерными импульсами, поскольку создание истинных источников одиночных фотонов оказалось крайне сложным. Однако у всего есть пределы: именно статистика фотонов в лазерном излучении ограничивает, например, быстродействие таких систем — мы не можем увеличить интенсивность, не потеряв однофотонный характер. Поэтому многие компании в мире с недавних пор сосредоточились на разработке детерминированных источников фотонов, в первую очередь, на основе одиночных квантовых точек в полупроводниковых материалах, объяснил ученый.
Источник одиночных фотонов на основе InAs/GaAs КТ с РБО и его использование в схеме пространственно-временного демультиплексирования.
«Приведу пример: статья в журнале “Light”, где четыре немецкие университетские команды реализовали систему КРК между городами, используя как раз источник на основе одиночной квантовой точки арсенида индия. Эта точка, помещенная в микрорезонатор, излучает на длине волны, соответствующей телекоммуникационному диапазону, с очень хорошим параметром однофотонности — значением корреляционной функции второго порядка при нулевой задержке, около 0,03. Это отличный результат. Однако если сравнить с лучшими системами КРК на ослабленных лазерных импульсах, они пока еще заметно лучше. Проблема — в низкой конечной эффективности, или яркости, источника: среднее число фотонов, попадающих в одномодовое оптическое волокно. У лучших образцов она меньше 5%, то есть менее 5 фотонов на 100 импульсов накачки. Это ключевой параметр, который необходимо улучшать, и мы подобрались к характеристикам, которые уже почти могут конкурировать с ослабленными лазерными импульсами», — продолжил А.А. Топоров.
Базовый дизайн источника, разработанного в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, был предложен еще в 2002 г.: это квантовая точка, излучающая одиночные фотоны при оптической накачке, и микрорезонатор. Резонатор необходим, потому что квантовая точка — очень слабый излучатель; резонатор позволяет многократно усилить взаимодействие и собрать фотоны в одну моду. По итогу разработанный учеными источник выполнен в форме микрорезонатора типа «столбик» с распределенными брэгговскими зеркалами и активной областью в одну длину волны, в центре которой расположена квантовая точка.
«Для возбуждения мы используем резонансную когерентную накачку — лазерным импульсом на той же длине волны, что и излучение фотона. Чтобы отделить лазерное излучение, применяется схема с перекрестными поляризациями, но она приводит к потерям 50% сигнала. Мы смогли снизить потери до 14%, используя анизотропный микрорезонатор с двумя ортогональными модами: лазер возбуждает одну моду, а фотон детектируется в другой. Еще одно наше ноу-хау — управление зарядовым состоянием квантовой точки. Для работы анизотропного резонатора нужна однократно заряженная точка. Мы научились управлять зарядом с помощью легирования и оптического смещения уровня Ферми, работая в режиме кулоновской блокады. В результате мы достигли эффективности 34% — это мировой рекорд для монолитных источников такого типа, с хорошими параметрами однофотонности», — сообщил ученый.
Рынок этих приборов пока очень узок — в основном для научных исследований. Например, разработанный в институте источник используется в МГУ для экспериментов по фотонным квантовым вычислениям. Однако практическое применение однофотонных излучателей постепенно начинает выходить за стены лабораторий. В области телекоммуникаций они являются основой для создания абсолютно защищенных каналов связи. Сигнал, состоящий из одиночных фотонов, нельзя незаметно «прослушать», так как любое измерение уничтожает фотон и сигнализирует о присутствии третьей стороны. В долгосрочной перспективе именно квантовые точки рассматриваются как одна из платформ для создания кубитов — элементарных единиц квантового компьютера, способного решать задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам.
