Исследователям из Китая, Великобритании и Германии удалось получить самый высококачественный источник фотонов в системе полупроводниковых квантовых точек. Этот результат будет играть огромное значение при создания сверхбыстрых квантовых компьютеров.

Команда во главе с Чао-Ян Лу и Вэй Цзянь-Паном из университета Науки и Технологий Китая в Хэфэй, и Свен Хёфлинг из университета Вюрцбурга в Германии, преуспели в производстве единичных фотонов — то есть, на каждый лазерный импульс по квантовой точке, генерируется один и только один фотон. Полученные фотоны также обладают одним важным свойством: они практически идентичны друг другу. «Наша работа приятно сочетает в себе эти две особенности: детерминированные поколение высокоидентичных одиночных фотонов», сказал Лу.

Квантовым компьютерам могут потребоваться до сотни одиночных фотонов для работы. Фотоны выступают в качестве квантовых битов (фундаментальных вычислительных блоков), которые проходят через многочисленные контролируемые квантовые операции. Для расширения таких систем, одиночные фотоны должны быть снабжены детерминировано — то есть, один за другим. Если это не так, то общая вероятность успеха быстро падает до нуля, объясняет Лу.

Одиночные фотоны также должны быть квантово-механически идентичными, так что компьютер сможет воспользоваться эффектами квантовой интерференции — сделать, например, такие устройства, как управляемое ворота «НЕ» между квантовыми битами, добавил он.

Команда, которая также включает исследователей из Кавендишской лаборатории в Кембридже в Великобритании, начала с облучения импульсным лазером по одной квантовой точке. Квантовую точку можно рассматривать как искусственный атом постоянно расположенном на полупроводниковом чипе. Лазерный импульс длится всего 3 пикосекунд и имеет центральную длина волны, которая настроена точно соответствовать оптическому переходу квантовой точки. Лазер переводит квантовую точки с нулевого вакуумного состояния, в возбужденное состояние, состоящие из связанной электрон-дырочной пары в течении очень короткого промежутка времени. Электронно-дырочная пара затем рекомбинирует, испуская только один фотон.

И это еще не все: однофотонный источник разработанный исследователями может быть расширен для большего колличества фотонов, которые затем могут быть использованы в многофотоновых связях и простых квантовых алгоритмах — например, занятых в знаменитой «базе данных Гровера» . «Может быть, что еще более важно, мы ожидаем, что разработанные нами высококачественные однофотонные источники будут полезны для квантовой интерференции отдельных фотонов из отдельных квантовых точек — необходимый шаг, когда дело доходит до запутывания и взаимодействия далеких квантовых точек,» сказал Лу.

Однако, не все идеально, добавляет он. Основная проблема заключается в том, что только несколько процентов от генерируемых фотонов, могут быть собраны в плоские микрополости. В идеале этот показатель должен быть ближе к 100%.

«Мы работаем над тем, чтобы преодолеть эту проблему путем повышения эффективности добычи фотонов с помощью лучших микрополостей и других новых оптических структур». «Мы также рассматриваем методы применения импульсно-резонансной флуоресценции для детерминированной генерации высококачественных запутанных пар фотонов исходящих от полупроводниковых квантовых точек».