Исследователи сделали важный шаг к квантовому интернету

Алмазный материал имеет большое значение для будущих технологий, таких как квантовый интернет.

Специальные центры дефектов могут быть использованы в качестве квантовых битов (кубитов) и излучают отдельные частицы света, которые называются одиночными фотонами.

Чтобы обеспечить передачу данных с приемлемой скоростью на большие расстояния в квантовой сети, все фотоны должны быть собраны в оптическом волокне и переданы без потерь. Также необходимо обеспечить, чтобы все эти фотоны имели один и тот же цвет, т.е. одну и ту же частоту. Выполнить эти требования до сих пор было невозможно.

Исследователям из группы «Интегрированная квантовая фотоника» под руководством профессора Тима Шредера в Берлинском университете имени Гумбольдта впервые в мире удалось сгенерировать и обнаружить фотоны со стабильной частотой, излучаемые квантовыми источниками света, а точнее, центрами дефектов азотной вакансии в алмазных наноструктурах.

Это стало возможным благодаря тщательному выбору материала алмаза; сложным методам нанофабрикации, осуществляемым в Объединенной лаборатории алмазной нанофотоники Института Фердинанда Брауна, Лейбницкого института высокочастотной техники; и специальным протоколам экспериментального контроля. Комбинируя эти методы, можно значительно уменьшить шум электронов, который ранее мешал передаче данных, а фотоны излучаются на стабильной (коммуникационной) частоте.

Кроме того, берлинские исследователи показали, что текущая скорость связи между пространственно разделенными квантовыми системами может быть перспективно увеличена более чем в 1 000 раз с помощью разработанных методов — важный шаг к созданию будущего квантового интернета.

Ученые интегрировали отдельные кубиты в оптимизированные алмазные наноструктуры. Эти структуры в 1000 раз тоньше человеческого волоса и позволяют направленно передавать излучаемые фотоны в стеклянные волокна.

Однако во время изготовления наноструктур поверхность материала повреждается на атомном уровне, и свободные электроны создают неконтролируемый шум для генерируемых световых частиц. Шум, сравнимый с нестабильной радиочастотой, вызывает колебания в частоте фотонов, препятствуя успешному проведению квантовых операций, таких как запутывание.

Особенностью используемого алмазного материала является относительно высокая плотность примесных атомов азота в кристаллической решетке. Они, возможно, защищают квантовый источник света от электронного шума на поверхности наноструктуры. «Однако точные физические процессы должны быть изучены более детально в будущем», — объясняет Лаура Орфал-Кобин, которая исследует квантовые системы вместе с профессором д-ром Тимом Шредером.

Выводы, сделанные на основе экспериментальных наблюдений, подтверждаются статистическими моделями и симуляциями, которые доктор Грегор Пиплоу из той же исследовательской группы разрабатывает и внедряет вместе с физиками-экспериментаторами.