Обеспечение безопасности цифровых коммуникаций и оптимизация информационных технологий — главные задачи цифровой эпохи. Квантовая фотоника предлагает многообещающие решения, позволяющие создавать несокрушимые криптографические системы и сверхбыстрые вычисления. Недавнее исследование ученых из Еврейского университета в Иерусалиме, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Ульма привело к значительному прогрессу в этой области: успешной интеграции однофотонных источников в чипы при температуре окружающей среды. Это важный шаг на пути к появлению практичных и доступных квантовых фотонных устройств.
Основная инновация, представленная в исследовании, опубликованном в журнале Nano Letters, заключается в разработке гибридной антенны из металла и диэлектрика в форме мишени, которая значительно улучшает способ манипулирования и направления фотонов на квантовом уровне. В частности, антенна позволяет «обратно возбуждать» фотоны — метод, который позволяет испускать фотоны прямо вперед, тем самым оптимизируя их сбор. Работа проводилась под руководством докторанта Боаза Любоцки и профессора Ронена Рапапорта из Еврейского университета Иерусалима.
Поместив фотонный излучатель — коллоидные квантовые точки или наноалмазы с кремниевой сердцевиной, которые являются отличными однофотонными излучателями даже при комнатной температуре, — в полость субволнового диапазона в центре антенны, исследователи создали систему, в которой фотоны не только эффективно генерируются, но и направляются точно вперед. Этот метод фронтальной связи особенно эффективен, поскольку позволяет направлять фотоны либо в оптику с низкой числовой апертурой, либо непосредственно в оптическое волокно без существенной потери сигнала.
Такая возможность контролировать направление и эффективность излучения фотонов имеет глубокие последствия, особенно для интеграции квантовых технологий в практические устройства. Протестированные устройства показали впечатляющую эффективность сбора данных, составляющую в среднем около 70%, даже при низких числовых апертурах. Такая высокая эффективность означает, что большинство испускаемых фотонов может быть уловлено и использовано. Упрощая способ интеграции квантовых источников света в устройства, этот прорыв снижает технические барьеры и ускоряет развитие новых технологий на основе квантовой фотоники.
Криптографические применения
Результат этого исследования, позволяющий интегрировать однофотонные источники при комнатной температуре в компактные чипы, может привести к непосредственному применению в квантовой криптографии. Эта технология дает возможность создавать защищенные системы связи, используя уникальные свойства квантовой механики для обеспечения безопасности обмена информацией.
В мире, где безопасность данных становится все более критичной, это достижение представляет собой многообещающее решение для защиты коммуникаций от кибератак, а в будущем, возможно, и в случае квантовых компьютеров, которые должны подорвать существующие системы шифрования. Кроме того, повышение эффективности обнаружения фотонов открывает путь к значительному совершенствованию технологий обнаружения, от сверхчувствительных медицинских датчиков до точных систем экологического мониторинга и навигации.
Помимо непосредственных последствий для безопасности и обнаружения, эта успешная интеграция значительно упрощает процесс разработки и производства квантовых фотонных устройств. Делая эти технологии менее дорогими в производстве, исследователи прокладывают путь к множеству коммерческих приложений. В пресс-релизе Еврейского университета Иерусалима Любоцкий объясняет значение этого достижения: «Преодолев основные трудности, связанные с интеграцией однофотонных источников в чип, мы открыли новые захватывающие возможности для развития передовых квантовых технологий«.
