Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik och universitetet i Siegen har förklarat mekanismen för generering av en foton i diamantdioder. Deras fynd, publicerad i Fysisk granskning tillämpas , erbjuda nya vägar för utveckling av höghastighets enfotonkällor för kvantkommunikationsnätverk och framtidens kvantdatorer.

Drift på enfotonnivå ökar möjligheten att utveckla helt nya kommunikations- och datorenheter, allt från slumptalsgeneratorer för hårdvara till kvantdatorer. Den kanske mest efterlängtade kvantteknologin är kvantkommunikation. Kvantkryptografi, som är baserad på kvantfysikens lagar, garanterar ovillkorlig kommunikationssäkerhet. Med andra ord, det är i grunden omöjligt att fånga upp det överförda meddelandet, oavsett utrustning eller mängd datorkraft som är tillgänglig för hackaren. Inte ens en kraftfull kvantdator kan hjälpa i det här fallet. Dock, implementeringen av kvantkommunikationslinjer och andra kvantenheter förlitar sig oundvikligen på effektiva enfotonkällor.

Det är en praktisk nödvändighet att enfotonkällor fungerar under standardförhållanden och är elektriskt pumpade, det är, de ska fungera i rumstemperatur och drivas av ett batteri. Dessa avgörande krav är inte så lätta att uppfylla. Först, kvantsystem är inte riktigt kompatibla med höga temperaturer, vilket innebär att de måste fungera i ett kylskåp eller en kryostat för att kyla dem till en temperatur av flytande helium eller ännu kallare, till under 1 kelvin, vilket är lika med -272 grader Celsius. Även om användningen av sådana enheter har blivit standardpraxis inom fysisk forskning, ett kylsystem av det här slaget är väldigt opraktiskt, hämmar massproduktion av kvantenheter. Också, föreställningen om ett kvantsystem innebär frånvaron av okontrollerad interaktion med den omgivande miljön. Ett klassiskt exempel på ett sådant system är en enda atom i en vakuumkammare. Även om dess interaktion med miljön är försumbar, fysiker kan ändå kontrollera dess elektrontillstånd med en laser. Genom att belysa kammaren med en laserstråle, en elektron befordras från en upptagen orbital med lägre energi till en tom orbital med högre energi. Efter det, atomen slappnar av till initialtillståndet via fotonemission. Problemet är att ett sådant system inte kan pumpas elektriskt.

Under de senaste två decennierna, pågående forskning inom området kvantoptik och elektronik har visat att även halvledarkvantsystem inte ger tillfredsställande resultat under elektrisk pumpning vid rumstemperatur, medan många av de andra materialen inte leder elektricitet alls.

Den överraskande lösningen på detta problem hittades tidigare i diamant, ett material som uppvisar egenskaper vid gränssnittet mellan halvledare och dielektrikum. Forskare fann att vissa punkter i diamantens kristallgitter kan fungera som kvantsystem med enastående fotonemissionsegenskaper. Dessutom, de fann att dessa kvantsystem är kapabla att sända ut enstaka fotoner när en elektrisk ström passerar genom diamant. Ändå, fysiken bakom detta fenomen förblev okänd och det var oklart hur man designade snabba och effektiva enfotonkällor baserade på färgcentra.

I den nya tidningen, forskarna från MIPT och University of Siegen etablerade en mekanism för enfotonemission från elektriskt pumpade kvävevakanscentra i diamant och bestämde faktorerna som påverkar fotonemissionsdynamiken. Enligt deras forskning, en-fotonemissionsprocessen kan delas in i tre steg:(1) elektroninfångningen av ett färgcentrum, (2) hålfångningen, betyder förlust av en elektron, och (3) elektronen eller hålet övergår mellan energinivåerna i färgcentrumet. Tillsammans, dessa tre steg är analoga med en skjutrevolver.

Att skjuta en kula i denna analogi innebär att sända ut en enda foton. En elektron fångas av defekten - tänk på detta som att man drar tillbaka en pistols hammare. Sedan trycks avtryckaren in, som sätter utlösningsmekanismen i rörelse, kasta hammaren mot primern på patronen. Denna omvända rörelse av hammaren motsvarar infångningen av ett hål av färgcentrumet. Sedan exploderar primern, tända drivmedlet, och förbränningsgaserna driver kulan längs och ut ur pipan. Liknande, det fångade hålet i färgcentrumet genomgår övergångar mellan marktillstånd och exciterade tillstånd, vilket resulterar i emission av en foton. Efterföljande cykler upprepar den första cykeln, med undantag för att det inte behövs en ny patron, eftersom färgcentrumet kan sända ut hur många fotoner som helst en i taget.

Ett viktigt krav för en praktisk enfotonkälla är att den måste sända ut fotoner vid förutbestämda tidpunkter, sedan ögonblicket fotonen sänds ut, den flyger iväg med ljusets hastighet. "På ett sätt, det är som en snabbduell i vilda västern, " säger Dmitry Fedyanin. "Två cowboys drar sina vapen i samma ögonblick som klockan slår. Den som skjuter först är vanligtvis vinnaren. Varje försening kan kosta var och en av dem livet. Med kvantenheter, historien är i stort sett densamma:det är avgörande att generera en foton vid exakt den tidpunkt vi behöver den." forskarna visar vad som bestämmer svarstiden för en enfotonkälla, det är, fördröjningen innan källan avger en foton. De utvärderade också sannolikheten för att sända ut en ny foton vid tidpunkten τ efter emissionen av den första fotonen. Som det visar sig, svarstiden kan justeras och förbättras i flera storleksordningar genom att ändra egenskaperna hos diamant via dopning eller kontrollera tätheten av elektroner och hål som injiceras i diamant. Bortsett från detta, Fedyanin säger, färgcentrumets initiala tillstånd kan styras genom att variera dess position i diamantdioden. Detta liknar hur en revolverman kan spänna revolvern för ett snabbare skott eller sätta pistolen på halv kuk.

Den fysiska modellen som forskarna utvecklat kastar ljus över beteendet hos färgcentra i diamant. Förutom att ge en kvalitativ tolkning, det föreslagna teoretiska tillvägagångssättet återger nya experimentella resultat. Detta öppnar en ny möjlighet för design och utveckling av praktiska enfotonkällor med önskade egenskaper, som är avgörande för förverkligandet av kvantinformationsenheter, såsom ovillkorligt säkra kommunikationslinjer baserade på kvantkryptografi.