Исследователи из США создали встроенный массив детекторов света на фотонном кристалле, который позволяет эффективно улавливать даже отдельные фотоны. Такие устройства в будущем могут стать важными элементами квантовых технологий, в частности, квантовой криптографии и оптических квантовых компьютеров.

В то время как классический компьютер хранит и обрабатывает информацию единицами, известными как «бит», которые могут иметь только одно из двух состояний (0 или 1), квантовый компьютер основан на способности квантовых частиц находиться в «суперпозиции» двух и более состояний.

В результате один квантовый бит (кубит) может находиться в двух состояниях одновременно, два кубита – в четырех состояниях и так далее (ряд состояний растет экспоненциально с увеличением числа кубитов). Обработка информации, основанная на таких квантовых приборах, в определенных задачах, например, в моделировании квантово-механических процессов в природе, взломе криптографических кодов или при обучении высокопараллельной машины, в принципе превосходит классические компьютеры.

Еще один важный аспект таких квантовых систем заключается в том, что

квантовые частицы могут быть «сцепленными». Этот термин характеризует частицы, объединенные гораздо более тесными «отношениями», чем допускает классическая механика. При этом данные между «сцепленными» частицами передаются мгновенно, вне зависимости от того, как далеко они находятся друг от друга.

Фотоны могут идеально подходить для обработки информации, поскольку они легко «сцепляются» (по сравнению с другими физическими частицами) и сравнительно просто перемещаются в пространстве. Фотоны также способны путешествовать на большие расстояния по оптическим волокнам или даже просто в воздухе, не теряя свою квантовую природу. Реальные квантовые компьютеры потребуют для своей работы до сотни фотонов, поскольку они должны проходить через многочисленные контролируемые квантовые операции. Для расширения таких систем лучше всего было бы обеспечить эффективное обнаружение индивидуальных фотонов.

Одним из наиболее перспективных детекторов одиночных фотонов на сегодняшний день является сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нанопроводов (Superconducting nanowire single-photon detectors, SNSPDs). Правда, данный детектор очень чувствителен к наноразмерным дефектам, и только одна из 100 осажденных на чипе структур (при производстве с использованием стандартных техник) может быть использована в роли детектора.

Теперь же группа исследователей из Massachusetts Institute of Technology (MIT), IBM и Jet Propulsion Laboratory при NASA (США) предложила технологию отдельного построения детекторов и последующего объединения уже действующих устройств на одном оптическом кристалле.

При этом оптические чипы могут изготавливаться отдельно с использованием стандартных методик производства чипов. Работа также включает в себя технику, позволяющую строить более плотные и крупные матрицы детекторов, что дает возможность создавать более чувствительные к входящим фотонам устройства. На данный момент группа продемонстрировала детекторы, способные зарегистрировать порядка 20% входящих фотонов – это примерно в 10 раз лучше, чем устройства, создававшиеся ранее.

В рамках своей работы ученые создали сотню однофотонных детекторов на тонких микронного размера мембранах и испытали все детекторы индивидуально, чтобы выяснить, какие из них работают лучше. Затем они подобрали хорошие устройства и перенесли их на волноводы под оптическим микроскопом.

Методика в перспективе позволит команде интегрировать большие массивы однофотонных детекторов на фотонных чипах, изготовленных из различных материалов. Фактически, она позволяет создать фотонный квантовый процессор «с нуля».

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Воодушевленные предварительными результатами, ученые продолжают работу по созданию больших систем на чипе, которые объединяют однофотонные источники и программируемые связи между ними, а также детекторы для считывания. В перспективе они планируют создать фотонный квантовый процессор на чипе.