Ведущие американские (Purdue University, John Hopkins University) и российские (НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП ВНИИА им. Н. Л. Духова) ученые в области нанофотоники нашли способ увеличить скорость эмиссии однофотонных источников до новых рекордных значений — сотни терагерц при эффективности излучения, близкой к 100%. Полученные результаты открывают путь к использованию излучателей в системах квантовых коммуникаций и вычислений.
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ / купить фото
Квантовые технологии, включая квантовые компьютеры, квантовые коммуникации и квантовую сенсорику — одна из наиболее стремительно развивающихся областей исследований последних лет. От Москвы до Маунтин-Вью — ученые всего мира выясняют, как использовать уникальные свойства квантовой физики для создания устройств, которые могут быть намного более эффективными, быстрыми, защищенными и чувствительными, чем существующие сегодня.
Фотоника как наука управления светом обеспечивает элементную базу и для квантовых вычислений и коммуникаций. Ключевыми элементами интегральной фотонной схемы выступают источники, генерирующие одиночные фотоны, интегральная схема на базе субмикронных волноводов, в которых происходит управляемое парное взаимодействие фотонов (что и дает возможность проводить квантовые вычисления), и однофотонные детекторы. Все элементы должны быть изготовлены из почти идеальных материалов и настолько совершенно, чтобы не потерялся ни один фотон. Однофотонные источники нужно сделать быстрыми (от скорости излучения фотонов и качества эмиссии напрямую зависят расстояние и скорость квантовой передачи зашифрованной информации), компактными и интегрируемыми на чип, а также не требующими специальных температурных условий.
В 2018 году команда исследователей из Университета Пардью и НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» совершила настоящий прорыв, создав работающий при комнатной температуре однофотонный источник с самой большой скоростью излучения — 35 млн одиночных фотонов в секунду. Ключом к успеху стало усиление излучения фотонов плазмонными наноструктурами на основе монокристаллического серебра с рекордно низкими оптическими потерями, созданного с использованием разработанной в НОЦ ФМН SCULL-технологии (принципиально новый подход к «сборке» ультрагладких тонких пленок металлов за счет управления их ростом на уровне атомов).
«Фотонный источник, который удалось разработать нашим коллегам из США, состоит из наноалмаза с NV-центром (азотозамещенная вакансия — один из точечных дефектов алмаза) и плазмонной наноструктуры в виде серебряного куба размером около 100 нм, лежащего на серебряной кристаллической подложке.
Каждая такая структура содержит два ключевых оптических элемента: резонатор и антенну. Резонатор необходим для увеличения скорости фотонной эмиссии NV-центра, а антенна — для эффективного излучения эмиссии в воздух. Высокую скорость излучения фотонов обеспечили серебряные подложки непревзойденного качества, изготовленные в нашем центре. Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимального режима работы однофотонного источника с сохранением максимальной яркости излучения»,— объяснил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН.
Рекордное увеличение скорости генерации фотонов в источнике достигается благодаря значительному усилению взаимодействия света с NV-центром, которое обеспечивается качеством плазмонных наноструктур из серебра. Комплексное математическое моделирование, проведенное под руководством доктора Якова Хургина (John Hopkins University), одного из ведущих мировых экспертов в области нанофотоники, определило фундаментальные пределы усиления квантового излучения в таких системах. Ученые установили, что наилучшие рабочие характеристики источника достигаются в случае, когда оптические размеры резонатора и антенны существенно различаются.
Левая колонка: Моделирование скорости эмиссии (сплошные линии) и скорости общих омических потерь (пунктирные линии) в однофотонном источнике. Обе величины нормированы на скорость эмиссии обычного центра в наноалмазе, в отсутствии наноструктур. Правая колонка: схемы соответствующих источников с разными размерами резонатора, образованного пространством под серебряным кубом. Положение антенны контролируется путём лазерного подплавления. Наноалмаз представлен синей сферой
Левая колонка: Моделирование скорости эмиссии (сплошные линии) и скорости общих омических потерь (пунктирные линии) в однофотонном источнике. Обе величины нормированы на скорость эмиссии обычного центра в наноалмазе, в отсутствии наноструктур. Правая колонка: схемы соответствующих источников с разными размерами резонатора, образованного пространством под серебряным кубом. Положение антенны контролируется путём лазерного подплавления. Наноалмаз представлен синей сферой
Расплавить, чтобы доказать
Математические выводы проверены экспериментально, путем «подплавления» серебряной наноразмерной антенны мощным лазерным лучом. Ученые подтвердили, что изменение угла расположения антенны позволяет управлять сжатием моды (распределения, которые повторяются при одном полном проходе; они наиболее стабильны) резонатора и скоростью излучения, не жертвуя эффективностью. Доказано, что плазмонные гибридные наноструктуры, сочетающие в себе сильно локализованную моду резонатора и большую моду антенны, могут обеспечить рекордную скорость излучения одиночных фотонов.
«Проведенная командой ювелирная работа максимально приближает нас к практическому внедрению разработанных источников,— радуется Семен Богданов, профессор Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, бывший научный сотрудник Университета Пардью.— Подход, основанный на высокой скорости излучения, может обеспечить необходимую для квантовых технологий когерентность при температурах, близких к комнатной. Это важно, поскольку пока эффективные твердотельные квантово-когерентные фотонные источники доступны только при температурах, характерных для жидкого гелия. Кроме того, наши фотонные источники максимально компактны и могут быть размещены непосредственно на чипе модулей систем квантовых коммуникаций и вычислений».
Проведенная работа дает более глубокое понимание разработанных систем и развивает новую главу в области исследований квантовых технологий — сверхбыструю квантовую фотонику. Предложенный подход обеспечит повышение частоты излучения однофотонных источников до терагерцового режима с почти стопроцентной эффективностью.
По материалам статьи Ultrafast quantum photonics enabled by coupling plasmonic nanocavities to strongly radiative antennas; Simeon I. Bogdanov, Oksana A. Makarova, Xiaohui Xu, Zachariah O. Martin, Alexei S. Lagutchev, Matthew Olinde, Deesha Shah, Sarah N. Chowdhury, Aidar R. Gabidullin, Ilya A. Ryzhikov, Ilya A. Rodionov, Alexander V. Kildishev, Sergey I. Bozhevolnyi, Alexandra Boltasseva, Vladimir M. Shalaev, and Jacob B. Khurgin; журнал Optica, май 2020 г.