В Китае добились 98,3% чистоты при генерации фотонных пар

Исследователи из Пекинской академии наук о квантовой информации (BAQIS) разработали устройство на основе полупроводниковой квантовой точки, способное генерировать пары фотонов с рекордной для твердотельных систем чистотой. В экспериментах 98,3% собранного света приходилось на фотонные пары, а эффективность их генерации составила 29,9%.

В основе устройства — одиночная квантовая точка, помещённая в оптический микрорезонатор диаметром тоньше человеческого волоса. Резонатор использует эффект Перселла для ускорения фотонного излучения. Ключевым техническим решением стало управление так называемым тёмным экситонным состоянием: с помощью поляризационно-селективного возбуждения p-оболочки лазерными импульсами электрон переводится в долгоживущее состояние, не излучающее свет. При заполнении квантовой точки вторым электроном образуется биэкситон, который затем распадается каскадно, высвобождая два фотона. Измеренное значение двухфотонной корреляции g²(0) составило 3,97.

Традиционные источники фотонных пар на нелинейных кристаллах генерируют фотоны вероятностно и способны случайно испускать несколько пар одновременно, что вносит шум в квантовые системы. Данное устройство лишено этого недостатка, поскольку использует единственный квантовый излучатель.

Устройство функционирует при температуре ниже 10 кельвинов. Для практического применения исследователи намерены поднять рабочую температуру до 77 кельвинов — уровня жидкого азота. Параллельно ведётся поиск альтернативных полупроводниковых материалов. Фотонные пары востребованы в квантовой криптографии, квантовых сенсорах и медицинской визуализации.