Вчені представили фотонні чипи, що працюють за кімнатної температури

Нове дослідження Єврейського університету зробило значний прорив завдяки успішному впровадженню однофотонних джерел у маленькі чіпи, які працюють при кімнатній температурі. Ця розробка знаменує вирішальний прогрес у галузі квантової фотоніки, відкриваючи можливості для її використання у квантових обчисленнях і криптографії. Це ключове досягнення у створенні придатних для використання квантових фотонних пристроїв, сигналізуючи про оптимістичну перспективу повної реалізації квантових технологій, включаючи обчислення, комунікацію та зондування.

Нещодавнє дослідження, яке очолив Боаз Любоцкі під час його докторської дисертації. Дослідження разом із професором Роненом Рапапортом з Інституту фізики Рака Єврейського університету в Єрусалимі у співпраці з командами Національної лабораторії Лос-Аламоса (LANL) у США та Ульмського університету в Німеччині оприлюднили значний прогрес у напрямку — чіп інтеграції однофотонних джерел при кімнатній температурі. Це досягнення є значним кроком вперед у галузі квантової фотоніки та перспективним для різних застосувань, включаючи квантові обчислення, криптографію та зондування.

Інновації в дизайні антен

Ключова інновація полягає у впровадженні гібридної металево-діелектричної яблучної антени, яка забезпечує виняткову спрямованість фотонів. Ця нова конструкція антени забезпечує ефективне зворотне збудження фотонів шляхом розміщення випромінювача в субхвильовому отворі, розташованому в центрі антени. Ця конфігурація забезпечує як пряме зворотне збудження, так і високоефективний фронтальний зв’язок випромінювання з оптикою з малою числовою апертурою або оптичними волокнами.

Дослідження демонструє універсальність цієї концепції шляхом виготовлення пристроїв, що містять або колоїдні квантові точки, або наноалмази, що містять центри кремнієвих вакансій, обидва є чудовими одиночними випромінювачами фотонів навіть при кімнатній температурі. Ці випромінювачі були точно розташовані за допомогою двох різних методів нанопозиціювання.

Примітно, що обидва типи пристроїв зі зворотним збудженням показали ефективність переднього збору приблизно на 70% при числових апертурах лише 0,5. Це означає, що можна використовувати дуже прості та компактні оптичні елементи і все одно збирати більшу частину фотонів у потрібний канал або точно відправляти випромінювані фотони в сусіднє оптичне волокно без необхідності будь-якої додаткової оптики зв’язку. Це ключовий інгредієнт інтеграції квантових джерел світла в реальні квантові системи. Цей спрощений процес обіцяє спростити майбутні зусилля з інтеграції та прискорити реалізацію практичних квантових фотонних пристроїв.

Боаз Любоцкі прокоментував важливість цього досягнення, зазначивши: «Подолавши ключові проблеми, пов’язані з інтеграцією однофотонних джерел на кристалі, ми відкрили нові захоплюючі можливості для розробки передових квантових технологій».

Успішна інтеграція однофотонних джерел у крихітні мікросхеми при кімнатній температурі, досягнута завдяки інноваційному використанню гібридної металодіелектричної антени «яблучко», має безпосереднє застосування у вдосконаленні квантової криптографії для безпечного зв’язку, удосконаленні технологій зондування та оптимізації процесу інтеграції для практичних квантові фотонні пристрої. Результати дослідження відкривають двері для комерційного застосування та розробки нових продуктів у галузі квантових технологій, що розвивається.