Физики создали интегральный источник одиночных фотонов, яркость которого в десять раз выше, чем у лучших предшественников. При маленьких мощностях накачки разработанный источник способен генерировать пары фотонов с мегагерцовыми частотами. Это может пригодиться для масштабирования оптических вычислений, где необходимо объединить все оптические элементы на чипе, по аналогии с электрическими схемами.

Работа принята для публикации в Physical Review Letters.

Фотонные квантовые вычислители уже превзошли классические в задаче бозонного сэмплинга на 100 кубитах. Следующий закономерный шаг в развитии оптических технологий — увеличение числа кубитов, уменьшение и упрощение оптической схемы для решения сложных прикладных задач.

Оптическая установка для квантовых вычислений состоит из источника одиночных фотонов, основной части, которая изменяет состояния фотонов, и детекторов. Вид основной части зависит от кодировки кубитов: например, если вся информация содержится в поляризации фотонов, то их состояния можно менять с помощью поляризационных пластинок.

В последнее время ученые используют пространственное кодирование на чипе, которое заключается в следующем: на каждый кубит приходится два пути (волновода) в чипе, фотон может идти по одному пути — тогда он кодирует 0, или по другому — и тогда он кодирует 1. Оба пути одного фотона могут переплетаться между собой и такое переплетение образует светоделитель. Пути от разных фотонов тоже могут пересекаться, позволяя им взаимодействовать друг с другом.

Чипы-интерферометры для пространственного кодирования можно изготавливать литографическими методами на подложках из кремния, что очень удобно из-за освоенности полупроводниковой технологии. Генерация пар фотонов на этих же чипах позволила бы сделать фотонные процессоры еще миниатюрнее и избежать потерь на вводе излучения в чип. Поэтому ученые активно занимаются разработкой интегральных источников одиночных фотонов и пытаются вывести их на один уровень с уже существующими аналогами.

Один из важных параметров однофотонных источников — яркость. В случае использования нелинейных кристаллов в качестве источников, яркость показывает с какой частотой он испускает пары фотонов при определенной мощности. В результате накачки нелинейного кристалла (в данном случае ниобата лития) происходит спонтанное параметрическое рассеяние и из кристалла начинают вылетать запутанные пары фотонов, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма.

Кроме того, из-за того, что процесс генерации спонтанный, невозможно определить точные моменты, в которые рождаются фотоны. Для того, чтобы понимать, что на выходе источника есть фотон, детектируют парный ему фотон, который родился вместе с этим фотоном в одно и то же время (этого близнеца называются объявленным (heralded) фотоном).

Группа исследователей из Технологического института Стивенса под руководством Юй-Пин Хуаня (Yu-Ping Huang) смогла на порядок увеличить яркость источника одиночных фотонов на чипе.