Учёные создали «исключительно яркий» источник света, способный генерировать квантово запутанные фотоны (частицы света), которые могут быть использованы для безопасной передачи данных в будущей высокоскоростной квантовой сети связи.
Будущий квантовый Интернет может передавать информацию с помощью пар запутанных фотонов — это означает, что частицы обмениваются информацией на расстоянии и во времени, независимо от дистанции. Согласно странным законам квантовой механики, информация, закодированная в этих запутанных фотонах, может передаваться на высокой скорости, в то время как их «квантовая когерентность» — состояние, при котором частицы запутаны — гарантирует, что данные не могут быть перехвачены.
Однако одной из ключевых проблем в создании квантового Интернета было то, что сила этих фотонов может ослабевать по мере их путешествия; источники света не были достаточно яркими. Для успешного создания квантового Интернета, способного передавать данные на огромные расстояния, фотоны должны быть достаточно сильными, чтобы предотвратить «декогеренцию» — потерю запутанности и исчезновение содержащейся в них информации.
В исследовании, опубликованном 24 июля в журнале eLight, учёные из Европы, Азии и Южной Америки разработали новый тип источника квантовых сигналов, использующий существующие технологии для достижения чрезвычайно высокой яркости.
Они достигли этого, объединив эмиттер фотонных точек (генератор одиночных фотонов, или частиц света) с квантовым резонатором (устройством для усиления квантового сигнала), чтобы создать мощный новый квантовый сигнал.
Что делает недавнее исследование особенно интересным, так это то, что отдельные технологии были независимо подтверждены в лабораториях, но до этого тестировались только по отдельности. Это исследование стало первым случаем, когда эти технологии были использованы вместе.
Исследователи объединили эмиттер фотонных точек с круговым резонатором Брэгга (отражателем, используемым для направления электромагнитных волн) на пьезоэлектрическом приводе/актуаторе (устройстве, которое генерирует электричество при воздействии тепла или напряжения). Вместе они создали усовершенствованную форму излучателя фотонов, которая может точно настраивать излучаемые фотоны для достижения максимальной поляризованной запутанности. Это контролировалось с помощью пьезоэлектрического привода.
Пары фотонов, генерируемые устройством, имели высокую точность запутанности и эффективность извлечения — это означает, что каждый фотон достаточно ярок, чтобы быть полезным, и хорошо сохраняет свою «квантовую сигнатуру» (полезное квантовое свойство). Раньше было трудно одновременно достичь необходимого уровня яркости и высокой степени запутанности, поскольку для каждого из этих аспектов требовалась различная технология, и их было трудно объединить в масштабируемом виде.
Это значительный шаг вперёд в разработке практических квантовых технологий, демонстрирующий, как можно объединять их для создания более мощного и жизнеспособного источника света.
К сожалению, в ближайшее время не стоит ожидать появления квантового Интернета, поскольку различные технологии остаются на стадии экспериментов и разработки. Также создание эмиттера фотонов, использованного в исследовании, требовало присутствия токсичных исходных материалов, включая мышьяк, что требовало специальной обработки. Существуют также опасения по поводу использования арсенида галлия, из которого был изготовлен эмиттер фотонов. Компания Fisher Scientific, поставщик лабораторного оборудования и химических веществ для научных исследований, указывает, что арсенид галлия представляет собой опасное вещество по нескольким причинам, включая его канцерогенные свойства.
Проблемы с безопасностью, связанные с использованием этих материалов, могут ограничить масштабируемость предложенной методики. Поэтому может возникнуть необходимость в поиске жизнеспособных альтернативных материалов для генерации ярких запутанных фотонов для будущих квантовых сетей связи.
Следующим этапом в процессе разработки будет интеграция структуры, подобной диоду, на пьезоэлектрический актуатор. Это позволит создавать электрическое поле через квантовые точки, чтобы компенсировать декогеренцию и, таким образом, увеличить степень запутанности.
И хотя впереди ещё много шагов в разработке квантового Интернета, успешное объединение эмиттера фотонов и резонатора для достижения фотонов с высокой яркостью и степенью запутанности является значительным шагом вперёд, как отметили учёные.
