Ученые Центра квантовых технологий физического факультета МГУ работают над созданием однофотонных излучателей. В настоящий момент идет завершение исследовательского этапа работы, а до конца года будут выпущены опытные образцы устройств. В будущем такие излучатели помогут сделать оптические схемы, используемые в квантовых вычислительных машинах и системах квантовой криптографии, более компактными, а их производство – более экономичным. Кроме того, излучатель решает важную проблему импортозамещения оборудования.

Однофотонными источниками света (однофотонными излучателями) называют источники, которые излучают свет в виде отдельных фотонов. Они являются одним из ключевых элементов во многих задачах в области квантовой информатики, в том числе в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. Такие устройства представляют собой наноалмазы с центрами окраски, нанесенные на поверхность фотонного кристалла, который поддерживает распространение поверхностных электромагнитных волн, называемых блоховскими поверхностными волнами (БПВ). Наноалмазы покрываются слоем полимера, а затем в области наноалмазов с единичным центром окраски происходит создание волноводных структур с помощью метода двухфотонной лазерной литографии. Таким образом, реализуется метод интеграции однофотонных источников в волновод с помощью комбинирования двух технологий в рамках одной экспериментальной установки: технологии сканирования сигнала люминесценции и поиска наноалмазов, излучающих в однофотонном режиме, с последующей технологией лазерной литографии для создания волноводов над найденными наноалмазами.

«Ключевое отличие данной разработки от других однофотонных излучателей – использование блоховских поверхностных волн. Это вид электромагнитных волн, которые распространяются вдоль поверхности фотонного кристалла – структуры, состоящей из периодически чередующихся слоев диэлектрических материалов», — рассказал руководитель сектора нанофотоники Центра квантовых технологий МГУ, доктор физико-математических наук, профессор РАН, проректор МГУ Андрей Федянин. На данный момент БПВ активно исследуются для применения в интегральных оптических схемах благодаря своим уникальным характеристикам. Например, закон дисперсии БПВ определяется параметрами фотонного кристалла (материалами и толщинами слоев), и можно добиться существования БПВ в любой заданной области спектра. Кроме того, использование исключительно диэлектрических материалов приводит к большой длине распространения БПВ в видимом диапазоне излучения, что особенно важно для интеграции однофотонных источников, излучающих в этом диапазоне.

«Основным достоинством разрабатываемых в ЦКТ МГУ твердотельных однофотонных источников на основе наноалмазов является их интеграция с волноводными структурами. Таким образом, единичные фотоны, излучаемые источником, могут сразу попадать в интегрально-оптические схемы для квантовых вычислений без необходимости использования объёмных оптических элементов. Это значительно повышает удобство работы с однофотонными источниками, – отмечает научный сотрудник ЦКТ МГУ Кирилл Сафронов. –Также важно отметить более удобное и экономически выгодное изготовление таких устройств, которое обеспечивает применение недорогой технологии двухфотонной лазерной литографии. Благодаря ей можно создавать сложные компактные интегрально-оптические структуры за единый цикл литографии без увеличения стоимости конечного устройства. Кроме того, потенциально однофотонные источники на основе наноалмазов могут быть заменены на любые другие наноразмерные твердотельные источники без существенного изменения процедуры их встраивания в волноводы».

Задача по созданию однофотонного источника, интегрированного на чипе, – часть более масштабного проекта по управлению блоховскими поверхностными волнами с помощью диэлектрических структур на поверхности одномерного фотонного кристалла, который реализует группа ученых сектора нанофотоники Центра квантовых технологий под руководством профессора А.А. Федянина. Данный проект направлен на решение фундаментальной задачи по разработке новых методов управления генерацией и распространением блоховских поверхностных электромагнитных волн на границе раздела одномерный фотонный кристалл — диэлектрик. Решение этой задачи необходимо для разработки фундаментальных основ новой полностью диэлектрической платформы интегральной оптики на основе блоховских поверхностных волн.

Помимо твердотельных однофотонных источников, над разработкой которых работают в Центре квантовых технологий, существуют и иные варианты. В частности, ведутся разработки источников на базе коллоидных кристаллов, из сверхпроводящего кубита, на основе полупроводниковых наноструктур.