Квантовые вычисления и многие другие «футуристические» технологии требуют генерации спаренных фотонов, способных обмениваться квантовым состоянием. В своей последней работе совместная группа ученых из Канады и Австрии предложила конструкцию устройства, обеспечивающего генерацию двух спаренных фотонов и более предназначенное для интеграции с другими квантовыми компонентами на чипе, чем ранее представленные схемы. Реализация новой схемы является важнейшим шагом на пути к коммерческой адаптации квантово-оптических устройств.

Обычно для создания так называемых спаренных фотонов ученые облучают при помощи лазера нелинейный кристалл. В результате некоторые из фотонов лазерного луча превращаются в пару фотонов с меньшей энергией, которые могут использоваться для кодирования информации, а в некоторых случаях – для проведения квантовых вычислений.

Для интеграции подобных устройств в единую цепочку ученые вынуждены размещать отдельные элементы, в том числе источники лазерного излучения и фотонные волноводы (являющиеся эквивалентом проводников в оптических устройствах), в полупроводниковых чипах (из арсенида галлия). Некоторым командам удавалось достичь весьма интересных результатов, но не тем путем, который позволил бы легко работать с крупными интегральными схемами. К примеру, одно устройство может требовать изолирующего слоя, что усложняет его контроль, а другое – отклонения лазерного луча на определенный угол от оси расположения прочих устройств.

Группа ученых из University of Waterloo (Канада) и University of Innsbruck (Австрия) использовали другой подход, продемонстрировав по его результатам устройства, которые могут объединяться с другими компонентами на одном кристалле.

Отчет о проделанной исследователями работе опубликован в журнале Physical Review Letters.

Арсенид галлия может генерировать из лазерного луча фотоны с меньшей энергией, но преобразование, по словам ученых, не эффективно, если фазы тех и других не совпадают. Грубо говоря,

для повышения эффективности процесса, требуется получить фотоны различных цветов, но с одинаковой фазой. Проблема заключается в том, чтобы найти способ выполнить это условие, не препятствующий интеграции устройства с другими элементами.

Решение этой проблемы и предложили ученые из Канады и Австрии; оно заключалось в использовании брегговского отражения в волноводе. Его устройство напоминает «слоеный пирог», в котором фотоны путешествуют по среднему слою, толщина которого соизмерима с длиной волны лазера (0,5 микрон). Данный слой заключен между слоями с высоким и низким показателем преломления (определяемым количеством подмешенного алюминия). Благодаря вертикальному отражению и интерференции в нем разрешена только одна длина волны. Такой волновод позволяет фотонам с меньшей энергией оставаться в фазе с излучением лазера.

В ходе экспериментов ученым удалось получить несколько пар фотонов, причем эффективность преобразования, по словам ученых, уже сравнима с эффективностью более традиционных методов. По их мнению,

данная работа является важным шагом на пути к коммерческому использованию технологии квантовых вычислений.

Правда, пока для формирования полностью работоспособного квантового устройства не хватает одной важной компоненты – детекторов, которые обеспечили бы улавливание единичных фотонов для преобразования квантового потока информации в электрические сигналы. По мнению исследователей, для этого могли бы использоваться сверхпроводники, что недавно было показано другой научной группой.