SPANGL4Q: Проект, нацеленный на соединение «вращающихся» фотонов и локализованных электронов

 

SPANGL4Q: Проект ЕС, финансируемый секцией «Перспективные и зарождающиеся технологии» седьмой рамочной программы.

 

Одиночные фотоны – это те самые квантовые частицы, с помощью которых физики и инженеры пытаются совершить революцию в мире обработки и передачи информации, связанную с применением «квантовых технологий». Квантовые технологии используют уникальные квантовые свойства одиночных частиц (например, «суперпозицию» – возможность одновременно находится в двух состояниях) для создания сверхбыстрых компьютеров и сверхзащищенных  систем связи.

 

Ученые, работающие в области квантовой информатики, уже поняли, что ключевыми компонентами квантового компьютера или системы квантовых коммуникаций должны стать «квантовые повторители» - устройства, которые не усиливают сигнал, а сохраняют состояние фотона в виде состояния статичной квантовой частицы, которая ожидает прихода второго фотона, чтобы передать сигнал дальше по цепочке.

 

Практически реализовать квантовый повторитель  можно с помощью полупроводниковых технологий. Наноразмерная полупроводниковая ловушка – квантовая точка может захватить электрон и сохранять его квантовую информацию в течение микросекунд. Этого времени достаточно, чтобы увеличить дальность квантовой передачи информации с примерно 100 км, что возможно уже сейчас, до, потенциально, тысяч километров.

 

Ключом к созданию такой технологии является сочетание квантовых точек, в которых локализованы электроны, с устройствами, удерживающими в том же месте фотон– нанофотонными резонаторами. Возможность удержать электрон и фотон в одной и той же области размером порядка микрона (при этом достаточно удерживать их вместе в течение всего несколько сотен пикосекунд) существенно увеличит эффективность передачи информации между фотоном и электроном. Без резонатора удерживается лишь 1 из 10000 фотонов, а с применением резонатора можно ожидать практически 100%-й эффективности удержания.

 

Проект SPANGL4Q позволит расширить границы применения  устройств, использующие квантовые точки и нанофотонные резонаторы. Планируется увеличить время хранения информации в квантовой памяти от миллионной доли секунды до нескольких секунд. Путем дальнейшей передачи информации от электронов к сверхизолированным ядрам кристаллической решетки в квантовых точках можно сохранить ее намного дольше. Таким образом,  одиночный фотон сможет пройти путь в десятки тысяч километров прежде, чем информация будет потеряна. Тем самым планируется реализовать по-настоящему глобальные квантовые коммуникации.

 

Достижение указанных целей потребует полного переосмысления известных правил «поведения» света в структурах малого размера. Фотонная инженерия является вполне сформировавшейся областью науки, поскольку современные средства телекоммуникаций используют устройства нанофотоники. Однако даже в исследовательских лабораториях применение принципов нанофотоники для управления поляризацией фотона еще не стало стандартом, поэтому команда проекта SPANGL4Q должна вернуться к «чертежной доске» и заняться поляризационным конструированием в таких структурах. Понимание того, как свет ведет себя на наноуровне, должно дать множество новых способов применения света в областях телекоммуникаций, медицины и безопасности.