Оптоволокно готово к квантовой эпохе: создан первый источник одиночных фотонов на частоте в 1 ГГц

Современные квантовые технологии основаны на физических свойствах отдельных микрочастиц. В оптических квантовых вычислениях, квантовой криптографии и системах защищенной связи главной рабочей единицей выступает фотон — фундаментальный квант электромагнитного поля. Оптические системы привлекают инженеров тем, что фотоны практически не взаимодействуют с окружающей средой, распространяются с предельной скоростью и могут переносить квантовую информацию при комнатной температуре.

Однако на пути к созданию масштабируемых оптических процессоров и протяженных квантовых сетей стоит фундаментальное препятствие: дефицит надежных источников единичных фотонов. Для работы таких устройств требуется свет с особыми физическими свойствами, который невозможно получить с помощью обычных источников освещения или стандартных лазеров.

Группа физиков из датской компании Sparrow Quantum и немецкого Рурского университета в Бохуме разработала твердотельный источник квантового света, который вырабатывает более 515 миллионов одиночных фотонов в секунду, передавая их напрямую в оптическое волокно. Это рекордный показатель интенсивности для систем такого типа. Разработка объединила высокую тактовую частоту возбуждения (1 гигагерц) с общей эффективностью сбора света выше 50 процентов.

Почему обычный свет не подходит для квантовых процессоров

Чтобы понять сложность задачи, необходимо разделить классическое и квантовое излучение. Обычный источник света — лампа накаливания, светодиод или лазер — испускает непрерывный или импульсный поток фотонов, в котором частицы распределены статистически. Это описывается пуассоновским распределением вероятностей. Если ослабить луч обычного лазера оптическими фильтрами до сверхмалой интенсивности, в отдельных импульсах в среднем будет содержаться один фотон. Однако слово «в среднем» в данном случае критично: в части импульсов фотонов не окажется вовсе, а в некоторых импульсах вылетят две, три или более частиц одновременно.

Для квантовых систем многофотонные импульсы недопустимы. Например, в протоколах квантового распределения ключей, которые обеспечивают физически защищенную связь, наличие двух одинаковых фотонов в одной посылке дает возможность перехватить информацию: сторонний наблюдатель может ответвить один фотон для измерения, оставив второй нетронутым, что сделает вмешательство необнаружимым. В оптических квантовых вычислениях логические операции строятся на интерференции строго одиночных квантов на оптических делителях. Если на вход логического вентиля вместо одного фотона попадают два, алгоритм выдает ошибку.

Квантовым системам требуется так называемое субпуассоновское излучение (состояние Фока с числом заполнения n = 1). Это поток, в котором фотоны следуют строго поодиночке через фиксированные интервалы времени. Источники, производящие такое излучение по внешнему сигналу, называют детерминированными источниками одиночных фотонов.

Вторая проблема — оптические потери. Вероятность успешного выполнения квантового алгоритма падает экспоненциально с ростом числа задействованных фотонов. Если эффективность источника (доля фотонов, попавших в рабочий тракт) составляет 10 процентов, то вероятность одновременно получить 10 фотонов для вычисления составит 0,1 в десятой степени, то есть одну десятимиллиардную долю. Проводить эксперименты с такой вероятностью на практике невозможно. Чтобы масштабировать системы хотя бы до 10-20 фотонов, физикам необходимы источники, сочетающие предельно высокую частоту генерации и минимальные потери при выводе света в волокно.

Квантовая точка как искусственный атом

В качестве активной среды генерации одиночных фотонов исследователи использовали полупроводниковые квантовые точки из арсенида индия (InAs), внедренные в кристаллическую матрицу арсенида галлия (GaAs).

Квантовая точка представляет собой микроскопический фрагмент полупроводника размером в несколько нанометров. Из-за столь малого объема движение электронов в ней ограничено по всем трем пространственным координатам. Это приводит к возникновению квантово-размерного эффекта: энергетический спектр носителей заряда становится дискретным, состоящим из строго разделенных уровней, как в изолированном атоме. По этой причине квантовые точки часто называют искусственными атомами.

Процесс излучения света происходит следующим образом:

1. Внешний оптический импульс накачки передает квантовой точке порцию энергии, переводя ее электронную подсистему в возбужденное состояние.
2. В структуре формируется экситон — связанное квантовое состояние электрона проводимости и положительно заряженной «дырки» (вакансии в валентной зоне).
3. Спустя характерное время электрон рекомбинирует с дыркой (возвращается в основное состояние).
4. Энергия рекомбинации высвобождается в виде одного фотона со строго фиксированной длиной волны, которая определяется шириной запрещенной зоны и геометрическими размерами точки.

В эксперименте квантовая точка излучала на длине волны 933,1 нанометра (ближний инфракрасный диапазон).

Предельная скорость работы такого излучателя ограничена фундаментальным физическим параметром — временем жизни возбужденного состояния экситона. В структуре, изготовленной авторами, это время составило 220 пикосекунд (триллионных долей секунды). Пока экситон не распался и система не вернулась в исходное состояние, квантовая точка физически не способна поглотить новую порцию энергии и излучить следующий квант. Следовательно, время жизни экситона задает естественный предел частоты генерации.

Метод временной резки лазерного луча

Чтобы заставить квантовую точку излучать фотоны в строго заданные моменты времени, ее необходимо возбуждать быстрыми лазерными импульсами. Традиционно в подобных экспериментах применяют титан-сапфировые лазеры с пассивной синхронизацией мод. Это твердотельные установки, генерирующие ультракороткие импульсы за счет циклического движения оптического пакета внутри резонатора.

У таких лазеров есть существенный недостаток: частота следования импульсов жестко зафиксирована длиной оптического пути между зеркалами резонатора и обычно составляет от 76 до 80 мегагерц. Изменить эту частоту произвольным образом или повысить ее до гигагерцового диапазона технически трудно.

Авторы работы отказались от использования специализированных импульсных лазеров и применили метод электрооптического формирования импульсов — так называемый карвинг, при котором импульсы нужной длительности вырезаются из непрерывного излучения.

Схема возбуждения состояла из следующих компонентов:

• Непрерывный лазер: полупроводниковый диодный лазер с перестраиваемой длиной волны и сверхмалой шириной спектральной линии — менее 1 килогерца. Малая ширина линии означает высокую стабильность фазы и частоты оптической волны.
• Каскад модуляторов: излучение направлялось на два последовательно соединенных высокоскоростных электрооптических модулятора интенсивности на основе кристаллов ниобата лития (LiNbO3).
• Электронное управление: модуляторами управлял генератор электрических импульсов, тактируемый программируемой логической интегральной схемой (FPGA).

Электрооптический модулятор работает за счет эффекта Поккельса: при приложении электрического напряжения к кристаллу ниобата лития меняется его показатель преломления. Модулятор построен по схеме интерферометра Маха — Цендера, где входной оптический луч делится на два плеча, а затем складывается снова. Изменяя фазовый сдвиг в одном из плеч с помощью внешнего электрического сигнала, можно управлять интерференцией на выходе — от полного пропускания света до его полного гашения.

Исследователи установили постоянное напряжение смещения в точку минимального пропускания света, при которой модуляторы полностью закрыты. Сверхкороткие электрические сигналы от генератора на мгновение открывали пропускание. В результате из непрерывной световой волны формировались короткие оптические импульсы длительностью 40 пикосекунд.

Чтобы закрытое состояние модуляторов оставалось непроницаемым для лазерного излучения, температуру кристаллов стабилизировали с точностью до 0,02 градуса Цельсия. Это позволило получить коэффициент экстинкции (отношение мощности открытого состояния к мощности закрытого) более 40 децибел. Иными словами, интенсивность паразитного фонового света между импульсами была подавлена более чем в 10 000 раз.

Данный подход позволил исследователям плавно и программно менять тактовую частоту возбуждения от низких значений в десятки мегагерц вплоть до 1 гигагерца, сохраняя жесткую фазовую стабильность каждого отдельного импульса.

Физические процессы на гигагерцовой частоте

Сформированные лазерные импульсы длительностью 40 пикосекунд подавались на квантовую точку, расположенную внутри волновода из фотонного кристалла. Волновод представляет собой пластину из арсенида галлия толщиной в сотни нанометров с регулярным массивом периодических отверстий. Эта структура подавляет распространение света по большинству направлений, заставляя излученный квантовой точкой фотон с вероятностью более 90 процентов направляться вдоль выделенного волноводного канала.

При разгоне системы до частоты возбуждения 1 гигагерц временной интервал между импульсами накачки сократился до 1 наносекунды (1000 пикосекунд).

В этих условиях возникло фундаментальное ограничение, связанное с конечным временем жизни экситона (220 пикосекунд). Отношение периода следования импульсов к времени жизни экситона составило примерно 4,5 (1000 пикосекунд межимпульсного интервала к 220 пикосекундам времени жизни).

При значении частоты 500 мегагерц интервал между импульсами равен 2 наносекундам (отношение периода к времени жизни составляет около 9). За это время вероятность нахождения квантовой точки в возбужденном состоянии спадает практически до нуля (на три порядка величины), прежде чем придет следующий импульс накачки. Перекрытия между излучаемыми фотонами не происходит.

Однако при частоте 1 гигагерц времени в 1 наносекунду оказывается недостаточно для гарантированного завершения процесса излучения: вероятность того, что квантовая точка все еще излучает фотон в момент прихода следующего лазерного импульса, составила около 4 процентов. Это привело к небольшому временному наложению соседних сигналов.

Второй физической сложностью стало соотношение длительности импульса накачки и времени жизни излучателя. Длительность лазерного воздействия (40 пикосекунд) составляет почти пятую часть от времени жизни экситона (220 пикосекунд). В таких условиях квантовая точка может быстро излучить фотон в самом начале импульса, а затем возбудиться оставшейся частью того же лазерного импульса повторно. Это приводит к нежелательному появлению двух фотонов в одном временном окне.

Эту проблему авторы решили за счет тонкого интерференционного эффекта внутри волновода. Параметры структуры подобраны таким образом, что часть лазерного излучения накачки, просачивающаяся в волноводный канал, интерферирует в противофазе с полем многофотонного излучения точки. Происходит деструктивная интерференция: волны взаимно уничтожают друг друга.

Чистоту однофотонного состояния оценивали с помощью измерения автокорреляционной функции интенсивности второго порядка g(2)(0) в интерферометре Хэнбери Брауна — Твисса. Для чисто однофотонного излучения это значение равно нулю, а для классического лазерного света — единице. Измерения показали:

• при частоте накачки 80 мегагерц: g(2)(0) = 3,98%;
• при частоте накачки 500 мегагерц: g(2)(0) = 3,63%;
• при частоте накачки 1 гигагерц: g(2)(0) = 11,13%.

Эти результаты были получены для всего спектра излучения без использования узкополосных частотных фильтров, которые обычно применяются для искусственного отсечения паразитных шумов за счет потери полезного сигнала.

Дополнительно авторы измерили степень квантовой неразличимости фотонов в эксперименте интерференции двух фотонов на полупрозрачном зеркале (эффект Хонга — Оу — Манделя). Если два фотона абсолютно идентичны по длине волны, поляризации и пространственной форме волнового пакета, они всегда покидают светоделитель вместе через один и тот же выходной порт, и детекторы не фиксируют одновременных совпадений. Видимость интерференции без использования спектральных фильтров составила 80,87 процента на частоте 500 мегагерц и 55,14 процента на частоте 1 гигагерц.

Преодоление порога оптической мощности

Один из главных результатов исследования заключается в достижении высокой мощности излучения непосредственно на выходе из одномодового оптоволокна.

Теоретический расчет показывает: идеальный источник, испускающий ровно один фотон на каждый тактовый импульс на длине волны 933,1 нанометра при частоте 1 гигагерц со стопроцентной эффективностью, создает интегральную оптическую мощность 212,9 пиковатта.

Благодаря оптимизации стыковки полупроводникового волновода с волоконным световодом общая эффективность системы превысила 50 процентов. При возбуждении квантовой точки резонансными импульсами исследователи наблюдали осцилляции Раби — периодическое изменение вероятности возбуждения квантовой системы в зависимости от амплитуды поля накачки. При достижении так называемого пи-импульса, который переводит экситон в возбужденное состояние с вероятностью, близкой к единице, мощность излучения на выходе из оптического волокна составила:

• при частоте 80 мегагерц: 9,57 пиковатта (эффективность системы 56,2%);
• при частоте 500 мегагерц: 57,3 пиковатта (эффективность системы 53,8%);
• при частоте 1 гигагерц: 110 пиковатт (эффективность системы 51,5%).

Мощность 110 пиковатт соответствует непрерывному потоку в 515 миллионов одиночных фотонов в секунду внутри оптоволокна. Небольшое падение эффективности с ростом частоты (с 56,2% до 51,5%) объясняется упомянутым выше физическим перекрытием импульсов, когда экситон не всегда успевает перейти в основное состояние к моменту прихода очередного импульса накачки.

Упрощение измерений: замена криогенных детекторов стандартными приборами

Достижение мощности в 110 пиковатт привело к важному практическому следствию методологического характера.

Исторически для измерения интенсивности источников одиночных фотонов использовались криогенные счетчики — сверхпроводниковые детекторы на нанопроволоках (SNSPD). Принцип действия SNSPD основан на переводе узкой сверхпроводящей полоски в нормальное резистивное состояние при поглощении единичного кванта света. Такие устройства требуют охлаждения жидким гелием до температур ниже 2 кельвинов и сложной электронной обвязки.

Однако ключевая проблема использования SNSPD для точной калибровки источников заключается в инструментальных погрешностях:

• Мертвое время детектора: после каждого срабатывания нанопроволоке требуется несколько десятков наносекунд для восстановления сверхпроводящего состояния. На высоких частотах счетчик начинает пропускать поступающие фотоны из-за насыщения.
• Нелинейность отклика: квантовая эффективность регистрации зависит от тока смещения, температуры и мгновенной плотности потока излучения.
• Сложность абсолютной калибровки: чтобы рассчитать реальный поток фотонов, физикам приходится строить сложные многопараметрические модели, учитывающие вероятности темновых ложных срабатываний и аппаратные задержки.

Оптическая мощность 110 пиковатт находится в пределах чувствительности обычных полупроводниковых измерителей мощности (радиометров на основе кремниевых или арсенид-индий-галлиевых фотодиодов), которые серийно выпускаются промышленностью и работают при комнатной температуре.

В фотодиодном измерителе фотоны создают непрерывный фототок за счет внутреннего фотоэффекта. Этот прибор не считает отдельные импульсы, а измеряет интегральный ток, что исключает ошибки, связанные с мертвым временем или насыщением счетных каналов. В результате исследователи получили возможность определять абсолютную системную эффективность квантового источника прямым измерением: достаточно разделить измеренную электрическую мощность на расчетное теоретическое значение для данной длины волны и частоты следования импульсов.

Практическое применение результатов

Создание источника с потоком более полумиллиарда одиночных фотонов в секунду расширяет возможности прикладных квантовых протоколов.

1. Линейные оптические квантовые вычисления

В оптических квантовых компьютерах вычисления осуществляются путем интерференции одиночных фотонов на интегральных оптических чипах. Чтобы провести вычисление с участием 10-20 кубитов, на входы чипа необходимо подать строго определенное количество идентичных фотонов одновременно.

При использовании низкочастотных или статистических источников вероятность одновременного присутствия такого числа фотонов пренебрежимо мала, что требует экспоненциально долгого времени накопления результатов (вплоть до нескольких суток на одну операцию). Высокая частота генерации в сочетании с оптическими коммутаторами (демультиплексорами) позволяет превратить высокочастотный последовательный поток фотонов из одного волокна в параллельный массив пространственно разделенных квантов света, готовых для одновременного ввода в вычислительный чип.

2. Квантовая криптография на оптоволоконных линиях

В системах квантового распределения ключей расстояние передачи информации ограничено оптическими потерями в кварцевом волокне (сигнал ослабевает примерно на 0,2 децибела на километр в телекоммуникационном диапазоне). Из-за экспоненциального затухания света на расстояниях более 100 километров скорость генерации секретного ключа падает до критически малых величин, сравнимых с уровнем темнового шума детекторов. Увеличение начальной частоты передачи квантовых состояний до 1 гигагерца компенсирует потери в канале связи, позволяя поддерживать устойчивую генерацию ключа на больших расстояниях без использования квантовых повторителей.

3. Квантовая оптическая метрология

Источники субпуассоновского излучения с известной мощностью служат эталонами малой оптической мощности. Возможность измерять параметры таких источников стандартными фотометрическими методами позволяет связать шкалу счета отдельных фотонов с макроскопическими эталонами электрической и оптической мощности Международной системы единиц (СИ).

Работа исследователей устраняет разрыв между физикой твердотельных квантовых излучателей и требованиями телекоммуникационных стандартов. Использование метода электрооптической модуляции вместо жестко заданных лазерных систем обеспечило гибкость управления частотой накачки, а согласование квантовой точки с фотонно-кристаллическим волноводом позволило преодолеть барьер мощности в 100 пиковатт. Подобные параметры приближают квантовую фотонику к переходу от лабораторных стендов к стандартизированным оптоэлектронным компонентам для вычислительных систем и сетей связи.

Источник: arXiv