Нов метод за генериране на кръгово поляризирани единични фотони проправя пътя за напредък в квантовата комуникация и потенциален свръхсигурен квантов интернет
(илюстрация: Los Alamos National Laboratory)
За целите на квантовата комуникация и криптографията са необходими източници на единични фотони. Това не е проблем, но решението изисква обемисто оборудване, включително най-силните магнити. Сега учени от САЩ опростиха задачата, създавайки устройство “две в едно” – то едновременно излъчва единични фотони и им дава кръгова поляризация. За предаване на кодирани данни просто трябва да бъде добавен модулатор и на изхода ще се получи напълно защитена връзка.
Традиционно източниците на единични поляризирани фотони се генерират в силно магнитно поле. Това решение е приложимо в лаборатории, но е напълно неподходящо за компактни устройства с практическо приложение.
Група учени, ръководени от изследователи в Националната лаборатория в Лос Аламос, създадоха устройство, което работи без мощни магнити, съобщи SciTechDaily. За целта учените свързали два полупроводникови слоя, тънки колкото атом, и направили вдлъбнатини в горния материал, който представлява слой волфрамов диселенид (WSe2), а долният, малко по-дебел материал, е магнитно съединение на никел-фосфорен трисулфид (NiPS3).
Вдлъбнатините с диаметър около 400 нм и дълбочина около 1 нм са направени с помощта на атомно-силов микроскоп. На материал колкото човешки косъм лесно могат да се поберат около 200 такива вдлъбнатини. Те създават не само физически ями, но и спадове в потенциалната енергия на плоскостта на материала. Под действието на лазер, електрони от волфрамов диселенид се вливат в тези вдлъбнатини, а тяхното взаимодействие генерира единични фотони.
Но под всяка яма лежи монослой от магнитен материал, който задава поляризационния вектор за фотоните, излъчвани от вдлъбнатината. Всички фотони, генерирани от ямите, получават “безплатно” кръгова поляризация. А наличието на поляризация е ключът към предаването на данни.
Необходимо е само да се усвои модулирането на тази характеристика – задача, която се решава сравнително просто. Ако към такъв генератор се прикрепят вълноводи, тогава потоците от единични поляризирани и модулирани фотони могат да бъдат насочени навсякъде – дори в микрочип за извършване на изчисления или в оптичен комуникационен канал за предаване на другия край на Земята.
„Нашето изследване показва, че еднослоен полупроводник може да излъчва кръгово поляризирана светлина без помощта на външно магнитно поле“, казват авторите на разработката, публикувана в Nature.
„Преди това този ефект се постигаше само с помощта на мощни магнитни полета, създадени от обемисти свръхпроводящи магнити, чрез свързване на квантови излъчватели с много сложни наномащабни фотонни структури или чрез инжектиране на спин-поляризирани носители в квантови излъчватели. Предимството на нашия подход за взаимодействие на къси разстояния е, че е евтин за производство и надежден”, поясняват изследователите.
„Имайки източник, който ни позволява да генерираме поток от единични фотони и едновременно да въвеждаме поляризация, ние всъщност комбинирахме две устройства в едно“, обобщават учените.