Увидеть одиночный фотон: ученые создали самый маленький в мире квантовый детектор света

В мире квантовых технологий, где царят законы микромира, измерение слабых сигналов — задача не из лёгких. Одной из ключевых технологий, позволяющих «услышать» шепот квантов, является гомодинное детектирование. Суть его заключается в интерференции слабого сигнала с мощным лазерным пучком, называемым опорным генератором. Результат этой встречи проявляется в разности фототоков, генерируемых парой фотодиодов. Для измерения квантовых сигналов эта разность должна быть усилена специальной электроникой с крайне низким уровнем шума.

До недавнего времени гомодинные детекторы состояли из отдельных, макроскопических компонентов — фотонных чипов, электронных плат и соединительных проводов. Этот «конструктор» неизбежно вносил паразитные емкости, ограничивая скорость работы детекторов едичными гигагерцами.

Но что, если объединить фотонику и электронику на одном кристалле? Именно эту идею реализовали ученые из Бристольского университета, создав монолитный электронно-фотонный интегральный гомодинный детектор, занимающий площадь всего 80 на 220 микрометров.

В сердце этого миниатюрного чуда — кремниевые фотонные схемы, совместимые с технологиями комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (CMOS), широко используемыми в современной микроэлектронике. Это открывает путь к массовому производству квантовых фотонных устройств на тех же заводах, где выпускаются микросхемы для компьютеров и смартфонов.

Благодаря отсутствию макроскопических соединений, паразитные емкости удалось снизить до минимума. В результате детектор демонстрирует впечатляющую скорость — его полоса пропускания достигает 15,3 гигагерца, превосходя возможности своих «раздельных» собратьев на порядок!

Но скорость — это лишь вершина айсберга. Интеграция фотоники и электроники позволяет создавать детекторы с рекордно низким уровнем шума, необходимым для регистрации самых слабых квантовых сигналов. Это достигается благодаря тщательно разработанному трансимпедансному усилителю, который преобразует слабый фототок в измеримое напряжение, не «заглушая» его собственным шумом.

Новый детектор уже готов к работе в самых передовых областях квантовой физики: от высокоскоростной квантовой криптографии и многоканальных квантовых компьютеров до сверхчувствительных сенсоров для гравитационных обсерваторий.

Создание монолитного гомодинного детектора — это яркий пример того, как синтез фотоники и электроники открывает новые горизонты в квантовых технологиях. Он служит наглядным подтверждением того, что будущее квантовых устройств лежит в объединении разрозненных компонентов в единую систему на одном кристалле.

В статье упоминается о том, что квантовые сигналы крайне слабые. Настолько ли они слабые, что их невозможно зарегистрировать традиционными методами?

Да, квантовые сигналы, например, одиночные фотоны, невероятно слабые. Традиционные фотодетекторы, используемые в повседневной электронике, не обладают достаточной чувствительностью, чтобы их зарегистрировать. Именно поэтому для работы с квантовыми сигналами используются специализированные детекторы, такие как гомодинный детектор, описанный в статье. Он позволяет усилить слабый сигнал, не внося дополнительного шума, и сделать его измеримым.

В статье говорится о том, что монолитный детектор превосходит по скорости своих «раздельных» собратьев. Но разве уменьшение размеров само по себе гарантирует повышение скорости?

Не совсем. Уменьшение размеров — это лишь один из факторов, влияющих на скорость работы детектора. Ключевой момент — это минимизация паразитных емкостей, которые неизбежно возникают на границах раздела фотонных и электронных компонентов. В монолитном детекторе, где эти компоненты объединены на одном кристалле, паразитные емкости практически отсутствуют. Именно это и позволяет достичь рекордной скорости работы.

Авторы статьи утверждают, что CMOS-совместимость открывает путь к массовому производству квантовых устройств. Но разве квантовые компьютеры не останутся экзотикой для избранных еще долгое время?

CMOS-совместимость действительно создает предпосылки для массового производства квантовых устройств. Однако, помимо технологических проблем, существует множество других факторов, влияющих на распространение квантовых технологий. Это и высокая стоимость производства, и необходимость специального программного обеспечения, и нехватка квалифицированных кадров. Поэтому квантовые компьютеры действительно останутся экзотикой для избранных еще некоторое время. Однако успехи в разработке CMOS-совместимых квантовых устройств приближают тот день, когда квантовые технологии станут доступны широкому кругу пользователей.

Статья сфокусирована на разработке детектора квантовых сигналов. А какие еще компоненты необходимы для создания полноценного квантового компьютера?

Помимо детекторов, для создания полноценного квантового компьютера необходимы источники квантовых состояний (например, источники одиночных фотонов), элементы управления квантовыми состояниями (например, фазовые модуляторы), квантовая память и множество других компонентов. Создание всех этих компонентов с использованием CMOS-совместимых технологий — важный шаг на пути к построению масштабируемых и доступных квантовых компьютеров.