Jednotlivé fotóny z výskumného tímu kremíkových čipov vyvinuli nový zdroj pre
Rodokmeň Mliečnej dráhy
Plne integrovaná kontrola nanodiamantov
Trochu bližšie k slnku
Vzdialenosti od hviezd
Čo žiari hviezdy
Jednosmerná ulica pre elektróny
Stovky výtlačkov Newtonovej knihy Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nájdené v novom počte
Naša slnečná sústava sa sformovala za menej ako 200 000 rokov
Zdravý na Mars
Jednotlivé fotóny zo silikónového čipu: výskumný tím vyvinul nový typ zdroja pre kvantové svetelné častice
Fyzikálne novinky z 15. septembra 2020 kvantová optika
Kvantová technológia je veľmi sľubná: o pár rokov budú mať kvantové počítače revolúciu vo vyhľadávaní v databázach, systémoch AI a simulačných výpočtoch. Aj dnes môže kvantová kryptografia zaručiť absolútne bezpečný prenos dát proti odpočúvaniu, aj keď s obmedzeniami. Je výhodou, ak sú nové technológie čo najviac kompatibilné s predchádzajúcou elektronikou na báze kremíka. To je presne miesto, kde fyzici na HZDR a TU Drážďany dosiahli pozoruhodný pokrok: Tím navrhol svetelný zdroj založený na kremíku, ktorý generuje jednotlivé fotóny, ktoré sa môžu dobre šíriť v sklenených vláknach.
Kvantová technológia je založená na čo najpresnejšej kontrole chovania kvantových častíc, napríklad uzamknutím jednotlivých atómov v magnetických pasciach alebo zasielaním jednotlivých svetelných častíc - takzvaných fotónov - cez sklenené vlákna. Posledný uvedený je základom kvantovej kryptografie, čo je typ komunikácie, ktorá je v podstate bezpečná proti odpočúvaniu: ak zlodej dát zachytí fotóny, nevyhnutne zničí ich kvantové vlastnosti. To však nezostáva skryté pred odosielateľmi a príjemcami správy - môžu včas prerušiť neistý prenos.
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. Astakhov Izolácia telekomunikačných jednofotónových žiaričov v kremíku pre škálovateľnú kvantovú fotoniku Optics Express, 2020
To si vyžaduje svetelné zdroje, ktoré dodávajú jednotlivé fotóny. Takéto systémy už existujú, najmä tie, ktoré sú založené na diamantoch. Majú však jeden nedostatok: „Tieto zdroje diamantov môžu generovať iba fotóny s frekvenciami, ktoré nie sú vhodné na prenos z optických vlákien,“ vysvetľuje fyzik HZDR Dr. Georgij Astakhov. „Toto je významné obmedzenie praktického použitia.“ Astakhov a jeho tím preto prijali iný materiál - osvedčený základný elektronický materiál kremík.
100 000 jednotlivých fotónov za sekundu
S cieľom vyvolať materiál na generovanie infračervených fotónov potrebných na komunikáciu pomocou optických vlákien ho odborníci podrobili špeciálnemu ošetreniu: Pomocou akcelerátora z centra iónových lúčov HZDR cielene vypálili uhlík do kremíka. Tak vznikli v materiáli takzvané G-centrá - dva susedné atómy uhlíka, ktoré spolu s atómom kremíka tvoria akýsi umelý atóm.
Ak je tento umelý atóm ožiarený červeným laserovým svetlom, vyžaruje požadované infračervené fotóny s vlnovou dĺžkou 1,3 mikrometra - čo je frekvencia, ktorá je pre prenos z optických vlákien mimoriadne vhodná. „Náš prototyp dokáže generovať 100 000 samostatných fotónov za sekundu,“ uvádza Astakhov. „A beží stabilne, ani po niekoľkých dňoch nepretržitej prevádzky sme nezaznamenali žiadne zhoršenie stavu.“ Systém však funguje iba pri extrémnom chlade - fyzici ho musia ochladiť na teplotu mínus 268 stupňov Celzia pomocou tekutého hélia.
„Prvýkrát sme dokázali ukázať, že je možný jednofotónový zdroj na báze kremíka,“ uviedol Astakhovov kolega Dr. Támhle Berencén. „Zdá sa preto v zásade uskutočniteľné integrovať tieto zdroje s inými optickými komponentmi na čip.“ Okrem iného sa zdá byť užitočné spojiť nový zdroj svetla s takzvaným rezonátorom. To by mohlo vyriešiť nasledujúci problém: Zatiaľ čo infračervené fotóny pochádzajú väčšinou zo zdroja náhodou. Pre použitie v kvantovej komunikácii by však bolo potrebné vedieť špecificky generovať fotóny na požiadanie.
Svetelný zdroj na čipe
Vedci mohli tento rezonátor vyladiť tak, aby dopadal presne na vlnovú dĺžku svetelného zdroja. To by umožnilo natoľko zvýšiť počet generovaných fotónov, aby boli kedykoľvek k dispozícii. „Je už dokázané, že také rezonátory môžu byť vyrobené z kremíka,“ uvádza Berencén. "Stále chýbalo spojenie, bol zdroj na báze kremíka pre jednotlivé fotóny." A to je presne to, čo sme teraz dokázali zrealizovať. ““
Než však bude možné uvažovať o praktickej aplikácii, musia vedci HZDR ešte vyriešiť rad problémov - napríklad cielenejšiu výrobu nových telekomunikačných jednofotónových zdrojov. „Aby sme to dosiahli, chceme sa pokúsiť implantovať uhlík do kremíka presnejšie ako doteraz,“ vysvetľuje Georgy Astakhov. „Vďaka svojmu stredu iónového lúča má HZDR ideálnu infraštruktúru na premenu týchto myšlienok na realitu.“