«Эксперименты по исследованию применимости оптических квантовых технологий до сих пор часто требовали целых лабораторных помещений», — объясняет профессор Ральф Крупке из KIT. «Однако, если эта технология должна использоваться осмысленно, она должна располагаться на минимальном пространстве». В исследовании приняли участие ученые из Германии, Польши и России под руководством профессоров Вольфрама Перниса из Вестфальского университета Вильгельма в Мюнстере (WWU) и Ральфа Крупке, Манфреда Каппеса и Карстена Рокштуля из Технологического института Карлсруэ (KIT).Источником света для квантовой фотонной схемы, использованной учеными впервые, были специальные нанотрубки из углерода.
Их диаметр в 100 000 раз меньше диаметра человеческого волоса, и они испускают одиночные световые частицы при возбуждении лазерным светом. Частицы света (фотоны) также называют квантами света.
Отсюда и термин «квантовая фотоника».Углеродные трубки излучают одиночные фотоны, что делает их привлекательными в качестве сверхкомпактных источников света для оптических квантовых компьютеров. «Однако нелегко разместить лазерную технологию на масштабируемом чипе», — признает физик Вольфрам Пернис.
Масштабируемость системы, то есть возможность миниатюризировать компоненты, чтобы иметь возможность увеличивать их количество, является предварительным условием для использования этой технологии в мощных компьютерах вплоть до оптического квантового компьютера.Поскольку все элементы в разрабатываемой микросхеме запускаются электрически, дополнительные лазерные системы больше не требуются, что является заметным упрощением по сравнению с обычно используемым оптическим возбуждением. «Разработка масштабируемого чипа, на котором объединены однофотонный источник, детектор и волновод, является важным шагом для исследований», — подчеркивает Ральф Крупке, который проводит исследования в Институте нанотехнологий KIT и Институте материаловедения Дармштадтский технический университет. «Поскольку мы смогли показать, что одиночные фотоны могут испускаться также при электрическом возбуждении углеродных нанотрубок, мы преодолели ограничивающий фактор, препятствующий потенциальной применимости».О методологии: ученые изучали, вызывает ли поток электричества через углеродные нанотрубки излучение единичных квантов света.
Для этого они использовали углеродные нанотрубки в качестве источников одиночных фотонов, сверхпроводящие нанопроволоки в качестве детекторов и нанофотонные волноводы. Один однофотонный источник и два детектора были подключены к одному волноводу. Структура охлаждалась жидким гелием для учета единичных квантов света. Чипы были изготовлены в устройстве для скрайбирования электронного луча.
Работа ученых — фундаментальные исследования. Пока не ясно, приведет ли это к практическому применению и когда это произойдет.
Вольфрам Пернис и первый автор, Светлана Хасминская, были поддержаны Deutsche Forschungsgemeinschaft и Helmholtz-Gemeinschaft, Ральф Крупке — Фондом Volkswagen.