Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT),  IBM и лаборатории реактивного движения  НАСА построили  массив детекторов света на фотонном кристалле, который может эффективно записывать отдельные фотоны. Такие устройства будут важными элементами будущих квантовых технологий, таких как квантовая криптография и оптические квантовые  компьютеры.

«Мы хотели бы создать фотонный квантовый процессор на чипе, а  однофотонные источники и детекторы являются важнейшими компонентами для такой микросхемы,» объясняет член команды Faraz Najafi в Массачусетском технологическом институте.

В то время как классические компьютеры хранят  и обрабатывают  информацию в «битах», которые могут иметь одно из двух состояний («0» или «1»), квантовый компьютер использует способность квантовых частиц  быть в «суперпозиции» двух или более состояний в одно и  то же время. "В то время как единичный  квантовый бит (кубит) может находиться в двух состояниях одновременно, два  кубитов могут  быть в четырех состояниях одновременно, и так далее», поясняет руководитель совместной команды  Dirk Englund  из Массачусетского технологического института. «Более того, число   состояний , которые занимаютcя одновременно в  квантовом компьютере растет экспоненциально с ростом числа кубитов в нем.»

“Обработка информации в квантовых приборах превосходит её в классических компьютерах  в определенных задачах, таких как моделирование процессов квантовой механики и  процессов в природе, взлом криптографических кодов”,  добавляет он. Еще одним важным аспектом  таких квантовых систем является то, что квантовые частицы могут также стать «запутанными». Переплетение позволяет частицам иметь  более тесные отношения, чем  позволяют законы классической механики ,и,  таким образом данные передаются мгновенно между запутанными состояниями частиц — независимо от того, как далеки они друг от друга.

Фотоны  идеально подходят  для обработки информации, поскольку они могут быть легко запутаны (по сравнению с другими физическими частицами) и потому, что они могут быть перемещены легко. Фотоны также могут путешествовать на большие расстояния по оптическим волокнам или даже по  воздуху  без потери их квантовой  природы.

Реальные квантовые компьютеры будут требовать до сотни кубитов  для работы, потому что они должны пройти через многочисленные  контролируемые  квантовые  операции.  Для расширения таких систем необходимо также эффективное обнаружение  отдельных  фотонов.

Детекторы  SNSPDs  (детекторы на сверхпроводящих нанопроволоках для одиночных фотонов)  являются одними из наиболее перспективных детекторов одиночных фотонов, доступных сегодня. Тем не менее, они очень чувствительны к наноразмерным дефектам,  но  только немногие из каждых 100, осажденных на чипе с использованием стандартной  технологии изготовления  работают   должным образом.

Теперь исследователи под руководством  Englund  и Karl  Berggren,  также из Массачусетского технологического института, разработали технологию, в которой они могут построить эти детекторы отдельно, а затем объединить действие  детекторов в оптическом кристалле. Оптические чипы могут быть изготовлены отдельно, используя технологию производства стандартных  чипов. Englund и Berggren объединились  с Solomon  Assefa  из научно-исследовательского центра IBM TJ Watson в Нью-Йорке для этой части работы. Их методика может быть использована не только для построения  плотных  и более крупные детекторных матриц, но также для изготовления  устройств,   более чувствительны к входящим фотонам . Действительно, команда преуспела в изготовлении  детекторов, которые могут зарегистрировать 20% количества входящих фотонов — это улучшение примерно в 10 раз по сравнению с предыдущими подходами.

«Наша задача заключается в объединении  двух компонентов вместе: высокоскоростной SNPSD и фотонный волновод, который является  каналом  света в  нашем  фотонном  кристалле», говорит Najafi [ nanotechweb.org] «Мы изготавливаем  SNSPD и волновод отдельно — таким образом, мы можем использовать процессы, используемые обычно в полупроводниковой промышленности для получения хорошего волновода»

Исследователи сделали сотни SNPSDs на тонких мембранах микронного размера и испытали  все детекторы индивидуально, чтобы выяснить, который  работает  лучше. Затем они собирали  эти хорошие устройства и переносили их на волновод под оптическим микроскопом.

Методика позволяет команде интегрировать  большие  массивы SNSPD на фотонных чипах, изготовленных из различных материалов, и может помочь сделать фотонный квантовый процессор от «нуля».

Воодушевленные  предварительными результатами,  Englund  и его коллеги говорят, что они в настоящее время работают над созданием однофотонных источников и интегрируемых с ними детекторов для считывания фотонов.

Работа подробно описана в Nature Communications DOI: 10.1038 / ncomms6873 и кратко в nanotechweb.org

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс