Заплутані фотони передали в телекомунікаційному діапазоні

Квантову точку вперше змусили випромінювати заплутані фотони в найбільш енергетично ефективному С-діапазоні, що використовується в оптоволоконному зв'язку. Стаття авторів розробки, німецьких фізиків з Університету Штутгарта, опублікована в журналі.


Генерація заплутаних фотонів необхідна для багатьох практичних додатків, таких як квантові повторювачі або квантова криптографія. Зокрема, для реалізації квантового зв'язку на великих відстанях потрібно використовувати канали з низькими втратами. Стандартом у цій галузі є телекомунікаційний С-діапазон (1530-1565 нанометрів), в якому втрати при поширенні фотонів найменші. Саме в цьому діапазоні відбувається передача інформації по оптоволокну. Відповідно, щоб заплутані фотони можна було передавати на далекі відстані по стандартних каналах інформації, їх частота повинна лежати в С-діапазоні.


Існують різні підходи до генерації заплутаних фотонів. Наприклад, спонтанне параметричне розсіювання, яке страждає від відсутності масштабованості. Автори нової роботи використовували для генерації фотонів напівпровідникові квантові точки - такі області в напівпровіднику, носії заряду в яких обмежені за всіма трьома вимірами. У цій системі заплутані пари фотонів можуть випромінюватися через біекситон-ексітонний каскад, завдяки чому можна домогтися високої чистоти станів, якщо тонка структура ексітонів досить слабо розщеплена.

Досліджуваний зразок був отриманий за допомогою осадження металорганічних сполук з газоподібної фази і мав наступну складну структуру. Як підкладку вчені взяли напівпровідник GaAs, над яким вони нарощували буфер з того ж напівпровідника для отримання високоякісної епітаксіальної поверхні. Потім над зразком сформували розподілений брегівський відбивач з двадцяти пар AlAs/GaAs. Після цього фізики наростили метаморфічний буфер (metamorphic buffer) з InGaAs з лінійно зростаючим вмістом індія, що дозволило послідовно виготовляти квантові точки в InAs, що випромінюють на довжині хвилі близько 1,55 мікрометра. Нарешті, зразок помістили в кріостат з рідким гелієм, щоб підтримувати в ньому температуру близько чотирьох кельвінів.

Потім зразок оптично збуджували за допомогою гелій-неонового-лазера (continuous wave laser) з довжиною хвилі 633 нанометри. Для спостережень використовувалися два спектрометри, обладнаних хвильовими платівками в чверть і половину довжини хвилі, а також поляризаційним світлоделителем. Випромінюване квантовими точками світло проходило через один із спектрометрів і реєструвалося ПЗС-матрицею, або спектрометри працювали як монохроматори, подаючи сигнал до однофотонних детекторів. Таким чином, фізики могли спостерігати спектр випромінюваних квантовими точками фотонів і вимірювати їх поляризацію.

Вчені виміряли функції взаємної кореляції станів випромінюваних фотонів у трьох базисах з різною поляризацією: горизонтальної-вертикальної, діагональної-антидіагональної та правої-лівої. Всього вони виробили 16 вимірювань. Потім за допомогою цих даних вчені вирахували чистоту (fidelity) станів Белла. Для максимально заплутаного стану очікується значення, рівне одиниці, некорельоване випромінювання призводить до значення 0,25, класично корельований випромінювач - до 0,5. У даному експерименті чистота для обраного часового вікна довжиною 195 пікосекунд склала 0,72 ^ 0,06, що вказує на те, що генеровані фотони були заплутаними.

Також побачити квантову заплутаність можна, побудувавши матрицю щільності станів Белла. На існування заплутаності вказують яскраво виражені особливості на зовнішніх діагоналях дійсної частини матриці. Менш помітні піки можна пояснити фоновим випромінюванням, процесами перепоховання (recapture processes) або переворотами спинів.

Спектр випромінюваних квантовою точкою фотонів мав два яскраво виражених піку на довжині хвилі близько 1540 і 1545 нанометрів, обидва піку лежать в С-діапазоні. За випромінювання з більшою довжиною відповідає біекситонний перехід тієї ж самої квантової точки, іншим пікам відповідають переходи від інших точок. На підставі аналізу спектру фізики уклали, що тонка структура точки становить менше десяти мікроелектронвольт.


Раніше вчені вже намагалися згенерувати фотони в С-діапазоні за допомогою квантових точок. Тим не менш, відносно простий спосіб генерації за допомогою розподіленого бреггівського відображача до останнього часу упускався з виду. У новій статті автори запропонували новий підхід і вперше домоглися генерації заплутаних фотонів з довжиною хвилі 1,55 мікрометра. Їх робота допоможе здійснити квантову телепортацію на далекі відстані, оскільки дозволить ефективніше передавати заплутані фотони.

З кожним роком фізикам вдається розносити заплутані фотони все далі і далі. Наприклад, минулого року вчені домоглися телепортації фотонів на відстані близько десяти кілометрів, а зовсім недавно китайські дослідники здійснили квантову телепортацію близько тисячі фотонів з поверхні Землі на орбіту.

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND