В ИТМО выяснили, как формируются источники одиночных фотонов — ключевые компоненты для развития устройств квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. С их помощью можно будет шифровать информацию так, чтобы ее никто не смог перехватить. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. 

Чтобы шифровать и передавать информацию, физики используют квантовую криптографию. Это метод защиты коммуникаций, в котором для приема и передачи информации по оптическим каналам используются квантовые объекты — в частности, одиночные фотоны. Такой метод позволяет более надежно хранить и передавать данные: если злоумышленник попытается перехватить фотон, это приведет к изменению квантового состояния, и конечному адресату станет понятно, что систему взломали.

Однако получать одиночные фотоны непросто: сейчас для этого используют, например, ослабленное лазерное излучение и полупроводниковые квантовые точки. В первом случае лазерное излучение ослабляют так, чтобы статистически в одном лазерном импульсе летел только один фотон — это не самый точный метод, и за одну единицу времени фотонов может пролететь больше или меньше. Другой способ — полупроводниковые квантовые точки, для производства которых требуется сложное и дорогое оборудование.

Перспективный способ создания источников одиночных фотонов основан на деформации двумерных полупроводников зондом атомно-силового микроскопа. Такие источники обладают высокой яркостью, выпускают строго один фотон в одну единицу времени, а еще просты в изготовлении и в перспективе смогут функционировать при комнатной температуре. Однако ученым до сих пор до конца непонятно, как возникает однофотонное излучение в двумерных полупроводниках — поэтому такие структуры сложно применять в квантовых технологиях.

Что придумали в ИТМО

Ученые ИТМО исследовали, как формируются квантовые излучатели одиночных фотонов в двумерном полупроводнике при их деформации, и научились точно определять их местоположение на структуре. С помощью экспериментов исследователи впервые показали, как можно определять пространственное положение таких излучателей (их размер составляет несколько нанометров) с точностью до десятков нанометров.

Кроме этого, ученые определили деформации, которые возникают в точке формирования излучателя. Данные показали, что процесс формирования однофотонного излучателя связан с точечными дефектами в однослойном полупроводнике, которые активируются при определенной степени растяжения его кристаллической решетки.

Источники одиночных фотонов, которые исследовали авторы, обладают высокой яркостью, излучают только один фотон в одну единицу времени в 98% случаев и просты в изготовлении.

Что дальше

Результаты работы позволят изготавливать источники одиночных фотонов на оптических чипах с нанометровой точностью и внедрять их в нанофотонные структуры. Это поможет развивать устройства для квантовых коммуникаций и вычислений.

«Мы научились неразрушающим методом определять положение квантовых излучателей с точностью до 30 нанометров. Это позволит интегрировать их в сложные оптические схемы с нанофотонными структурами и контролировать оптические свойства. С фундаментальной точки зрения мы рассчитали деформации и подтвердили теоретическую модель, согласно которой квантовые излучатели формируются на оптических переходах, возникающих на атомарных дефектах за счет деформации кристаллической решетки монослоя полупроводника», — рассказывает один из авторов исследования, инженер физического факультета Артем Абрамов.

В дальнейшем ученые планируют интегрировать квантовый излучатель в нанофотонный резонатор, который сделает однофотонный излучатель ярче, а также позволит лучше контролировать направленность излучения. Такая структура может стать компонентом прибора для передачи и шифрования квантовой информации, а также других устройств, в частности, для квантовых вычислений и зондирования.

Работа поддержана программой «Приоритет-2030».

Статья: Artem Abramov, Igor Chestnov, Ekaterina Alimova, Tatiana Ivanova, Ivan Mukhin, Dmitry Krizhanovskii, Ivan Shelykh, Ivan Iorsh, Vasily Kravtsov. Photoluminescence imaging of single photon emitters within nanoscale strain profiles in monolayer WSe2 (Nature Communications, 2023)