Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en de University of Siegen hebben het mechanisme van het genereren van één foton in diamantdiodes uitgelegd. Hun bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast , nieuwe mogelijkheden bieden voor de ontwikkeling van high-speed single-photon bronnen voor kwantumcommunicatienetwerken en kwantumcomputers van de toekomst.

Operatie op het niveau van één foton verhoogt de mogelijkheid om geheel nieuwe communicatie- en computerapparatuur te ontwikkelen, variërend van hardware random number generators tot kwantumcomputers. Misschien wel de meest verwachte kwantumtechnologie is kwantumcommunicatie. Quantum cryptografie, die gebaseerd is op de wetten van de kwantumfysica, garandeert onvoorwaardelijke communicatiebeveiliging. Met andere woorden, het is principieel onmogelijk om het verzonden bericht te onderscheppen, ongeacht de apparatuur of hoeveelheid rekenkracht waarover de hacker beschikt. Zelfs een krachtige kwantumcomputer kan in dit geval niet helpen. Echter, de implementatie van kwantumcommunicatielijnen en andere kwantumapparaten is onvermijdelijk afhankelijk van efficiënte bronnen van één foton.

Het is een praktische noodzaak dat enkelfotonbronnen onder standaardomstandigheden werken en elektrisch worden gepompt, dat is, ze moeten werken bij kamertemperatuur en worden gevoed door een batterij. Aan deze cruciale eisen is niet zo gemakkelijk te voldoen. Eerst, kwantumsystemen zijn niet echt compatibel met hoge temperaturen, wat betekent dat ze in een koelkast of cryostaat moeten werken om ze af te koelen tot de temperatuur van vloeibaar helium of zelfs kouder, tot onder 1 Kelvin, wat gelijk is aan -272 graden Celsius. Hoewel het gebruik van dergelijke apparaten de standaardpraktijk is geworden in fysiek onderzoek, zo'n koelsysteem is enorm onpraktisch, massaproductie van kwantumapparaten remmen. Ook, het idee van een kwantumsysteem impliceert de afwezigheid van ongecontroleerde interacties met de omgeving. Een klassiek voorbeeld van zo'n systeem is een enkel atoom in een vacuümkamer. Hoewel de interactie met de omgeving verwaarloosbaar is, natuurkundigen kunnen niettemin de elektronentoestanden regelen met een laser. Door de kamer te verlichten met een laserstraal, een elektron wordt gepromoveerd van een bezette orbitaal met lagere energie naar een lege orbitaal met hogere energie. Daarna, het atoom ontspant naar de begintoestand via fotonenemissie. Het probleem is dat een dergelijk systeem niet elektrisch kan worden gepompt.

In de laatste twee decennia, lopend onderzoek op het gebied van kwantumoptica en elektronica heeft aangetoond dat zelfs halfgeleider kwantumsystemen geen bevredigende resultaten opleveren bij elektrisch pompen bij kamertemperatuur, terwijl veel van de andere materialen helemaal geen elektriciteit geleiden.

De verrassende oplossing voor dit probleem werd eerder gevonden in diamant, een materiaal dat eigenschappen vertoont op het grensvlak tussen halfgeleiders en diëlektrica. Onderzoekers ontdekten dat bepaalde punten in het kristalrooster van diamant kunnen functioneren als kwantumsystemen met uitstekende fotonenemissie-eigenschappen. Bovendien, ze ontdekten dat deze kwantumsystemen in staat zijn om enkele fotonen uit te zenden wanneer een elektrische stroom door diamant wordt geleid. Hoe dan ook, de fysica achter dit fenomeen bleef onbekend en het was onduidelijk hoe snelle en efficiënte single-photon-bronnen op basis van kleurcentra konden worden ontworpen.

In de nieuwe krant de onderzoekers van het MIPT en de Universiteit van Siegen hebben een mechanisme vastgesteld voor de emissie van één foton uit elektrisch gepompte stikstof-vacaturecentra in diamant en bepaalden de factoren die de dynamiek van fotonenemissie beïnvloeden. Volgens hun onderzoek het single-photon emissieproces kan worden onderverdeeld in drie fasen:(1) de elektronenvangst door een kleurcentrum, (2) het vangen van het gat, wat betekent het verlies van een elektron, en (3) de elektron- of gatovergangen tussen energieniveaus van het kleurcentrum. Samen, deze drie fasen zijn analoog aan een afvuren revolver.

Een kogel afschieten in deze analogie betekent het uitzenden van een enkel foton. Een elektron wordt gevangen door het defect - beschouw dit als het terugtrekken van de hamer van een geweer. Dan wordt de trekker overgehaald, die het triggermechanisme in beweging zet, de hamer tegen de primer van de cartridge gooien. Deze omgekeerde beweging van de hamer komt overeen met het vangen van een gat door het kleurcentrum. Dan ontploft de primer, het ontsteken van het drijfgas, en de verbrandingsgassen drijven de kogel langs en uit de loop. evenzo, het gevangen gat in het kleurcentrum ondergaat overgangen tussen grond- en aangeslagen toestanden, wat resulteert in de emissie van een foton. Volgende cycli herhalen de eerste cyclus, behalve dat er geen nieuwe cartridge nodig is, omdat het kleurencentrum in staat is om een ​​willekeurig aantal fotonen tegelijk uit te zenden.

Een belangrijke vereiste voor een praktische enkelvoudige fotonbron is dat deze op vooraf bepaalde tijdstippen fotonen moet uitzenden, sinds het moment dat het foton wordt uitgezonden, het vliegt weg met de snelheid van het licht. "Op een manier, het is als een snel duel in het Wilde Westen, ' zegt Dmitry Fedyanin. 'Twee cowboys trekken hun geweren zodra de klok slaat. Wie het eerst schiet, is meestal de winnaar. Elke vertraging zou elk van hen zijn leven kunnen kosten. Met kwantumapparaten, het verhaal is vrijwel hetzelfde:het is van cruciaal belang om een ​​foton te genereren precies op het moment dat we het nodig hebben." laten de onderzoekers zien wat de responstijd van een enkelvoudige fotonbron bepaalt, dat is, de vertraging voordat de bron een foton uitzendt. Ze evalueerden ook de kans op het uitzenden van een nieuw foton op tijdstip τ na de emissie van het eerste foton. Zoals het blijkt, de responstijd kan verschillende ordes van grootte worden aangepast en verbeterd door de kenmerken van diamant te veranderen via doping of door de dichtheden van elektronen en gaten die in diamant worden geïnjecteerd te regelen. Behalve dit, Fedyanin zegt, de begintoestand van het kleurcentrum kan worden geregeld door de positie ervan in de diamantdiode te variëren. Dit is vergelijkbaar met hoe een scherpschutter de revolver kan spannen voor een sneller schot of het pistool op een halve pik kan zetten.

Het door de onderzoekers ontwikkelde fysieke model werpt licht op het gedrag van kleurcentra in diamant. Naast het geven van een kwalitatieve interpretatie, de voorgestelde theoretische benadering reproduceert recente experimentele resultaten. Dit opent een nieuwe mogelijkheid voor het ontwerpen en ontwikkelen van praktische enkel-fotonbronnen met gewenste eigenschappen, die essentieel zijn voor de realisatie van kwantuminformatie-apparaten, zoals onvoorwaardelijk beveiligde communicatielijnen op basis van kwantumcryptografie.