Лазер щёлкает с частотой десять миллионов раз в секунду, и каждый щелчок выбивает из полистирольной плёнки ровно один фотон. Не пучок, не сгусток — одну-единственную частицу света, аккуратно упакованную в пространстве и времени. Источником служит молекула, которую можно купить в каталоге химических реактивов: фуллерен C60, шестьдесят атомов углерода, свёрнутых в футбольный мяч. Тот самый мяч, за синтез которого вручили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Теперь он играет в другую игру.

До недавнего времени считалось, что для испускания одиночных фотонов нужны либо криогенные температуры и сложные полупроводниковые гетероструктуры, либо коллоидные квантовые точки, которые мигают и выцветают. Работа барселонских физиков ломает эту привычную картину. Они растворили коммерческий C60 в толуоле вместе с полистиролом, нанесли каплю на золотую подложку и раскрутили её до 4000 оборотов в минуту. Получилась плёнка, в которой отдельные молекулы фуллерена сидят изолированно друг от друга, как мячи в огромном пустом зале. Дальше — возбуждение лазером с длиной волны 405 нм и регистрация испущенного света в интерферометре Хэнбери Брауна и Твисса. Этот прибор измеряет, приходят ли фотоны парами или строго поодиночке.

Ключевая величина — корреляционная функция второго порядка g(2)(0). Если она меньше 0,5, фотоны не приходят парами: источник одиночный. У барселонских плёнок при непрерывном возбуждении g(2)(0) = 0,304 ± 0,024. При импульсном возбуждении с частотой 10 МГц — 0,308 ± 0,024. Это значит, что фотоны испускаются по команде, с чистотой, достаточной для квантовой криптографии. Время жизни экситона — возбуждённого состояния молекулы до испускания — оказалось около 4,5 наносекунды, причём разброс от 3 до 27 нс в зависимости от локального окружения. Мигание, то есть случайное переключение между ярким и тёмным состоянием, описывается степенным законом с показателем α = 0,369. Это указывает на сложную многоуровневую динамику, а не на простую трёхуровневую модель.

Откуда берётся свет? Чистый C60 почти не излучает: его высокая симметрия запрещает оптические переходы. Но под действием света и кислорода к молекуле присоединяются атомы кислорода, нарушая симметрию и разрешая переходы. Поэтому спектр излучения с пиком на 620 нм объясняется фотоокислением C60 — образованием C60On. Это одновременно и проклятие, и благословение. С одной стороны, окисление делает молекулу яркой. С другой — оно же вносит нестабильность и мигание. Контроль над степенью окисления — ключ к стабильным источникам.

Практическая польза очевидна. Квантовые коммуникации требуют источников одиночных фотонов, которые работают при комнатной температуре, дёшевы и масштабируемы. Здесь не нужны ни криогенные установки, ни сложная нанофабрикация. Короткое время жизни экситона обещает высокую скорость генерации фотонов. Но мигание и разброс времён жизни показывают, что молекулы чувствительны к окружению. Следующий шаг — химическая модификация фуллеренов, например, присоединение функциональных групп, чтобы подавить мигание и сузить распределение времён жизни. Встраивание в оптические резонаторы ускорит излучение и повысит эффективность сбора фотонов.

Футбольный мяч, который по свистку выбрасывает ровно один фотон, — теперь не метафора, а рабочий элемент будущих квантовых сетей. Тот же C60, что когда-то удивил химиков своей симметрией, теперь удивляет физиков своей способностью служить источником квантового света. Игра только начинается.