Полмиллиарда фотонов в секунду из одной точки
Контекст
Детерминированные источники одиночных фотонов служат рабочими лошадками фотонных квантовых технологий: от квантового распределения ключей до оптических квантовых вычислений. Пропускная способность почти любого протокола линейно растёт с тактовой частотой источника и экспоненциально падает с его неэффективностью. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования одиночных фотонов из оптических полостей, кремниевых чипов и синхронизированных фабрик фотонов — все они бьются за скорость и чистоту, но до сих пор никто не перешагивал порог в полгигагерца реального потока в волокне. Данная статья показывает, что квантовые точки в фотонных кристаллах способны работать на пределе своего времени жизни, не теряя при этом системной эффективности.
Методы
Лазерные импульсы вырезаются из непрерывного лазера с шириной линии ниже 1 кГц с помощью двух каскадных электрооптических модуляторов на ниобате лития. Модуляторы смещены в точку минимального пропускания для максимального подавления фона, а длительность импульса регулируется от 40 до 100 пикосекунд. Тактовая частота задаётся программируемой вентильной матрицей (FPGA), которая управляет генератором импульсов. Эти импульсы резонансно возбуждают нейтральный экситон в квантовой точке InAs/GaAs, встроенной в фотонный кристаллический волновод. Важно, что в схеме сбора сознательно нет спектрального фильтра: измеряется весь испущенный свет, включая фононное крыло. Интенсивность проверялась через осцилляции Раби, снятые коммерческим измерителем оптической мощности.
Результаты
При возбуждении на частотах 80 МГц, 500 МГц и 1 ГГц источник демонстрирует моноэкспоненциальный спад с временем жизни 220 пикосекунд. Чистота одиночных фотонов, оценённая по автокорреляции второго порядка g(2)(0), составила 3.98%, 3.63% и 11.13% соответственно без спектральной фильтрации. Видимость двухфотонной интерференции Хонга-У-Манделя достигла 81.83%, 80.87% и 55.14% в тех же условиях. При добавлении фильтров на 80 МГц чистота улучшилась до g(2)(0)=2.80%, а видимость до 92.30% ценой потери 12% света. Оптическая мощность при π-импульсе составила 9.57 пВт, 57.3 пВт и 110 пВт, что соответствует эффективности системы 56.2%, 53.8% и 51.5%. На частоте 1 ГГц поток одиночных фотонов в волокне достиг 515 МГц — это рекорд для твердотельных источников.
Значение
Работа отличается от соседних исследований тем, что впервые объединяет гигагерцовое возбуждение с системной эффективностью выше 50% и при этом измеряет поток напрямую через оптическую мощность, а не через счёт фотонов. Соседние работы по одиночным фотонам из полостей и кремниевых чипов фокусируются на чистоте или интеграции, но не достигают такого сочетания скорости и полезного выхода в волокне. Здесь показан практический предел: квантовая точка в фотонном кристалле может выдавать фотоны с частотой, ограниченной только временем жизни экситона, без деградации эффективности ниже половины.
Развитие
Следующим логическим шагом станет сокращение времени жизни излучателя, чтобы поднять тактовую частоту выше 1 ГГц без наложения импульсов. Другой путь — демультиплексирование потока на несколько пространственных мод для многофотонных экспериментов. Возможна также интеграция источника с быстрыми переключателями для создания кластерных состояний. Метрологическое применение в качестве стандарта оптической мощности тоже выглядит многообещающим, поскольку мощность напрямую связана с числом фотонов и частотой.
Влияние
Результат напрямую влияет на скорость квантового распределения ключей, где каждый потерянный фотон снижает дальность и безопасность. Он также ускоряет линейные оптические квантовые вычисления и квантово-усиленное машинное обучение, где требуется поток неразличимых фотонов.
Следующие шаги
Ближайшая задача — проверить работу источника в многочасовом режиме при 1 ГГц и измерить дрейф параметров. Затем стоит попробовать демультиплексирование на 4–8 каналов для генерации многокубитных состояний.
Ключевые проблемы
В квантовой оптике остаётся открытой проблема масштабирования источников до тысяч идентичных излучателей на чипе. Данная работа решает часть задачи, показывая, что один излучатель может давать поток, достаточный для протоколов с умеренным числом фотонов, но для универсальных вычислений всё ещё нужны массивы с высокой однородностью.
Оптическая мощность 110 пВт настолько мала, что обычная лазерная указка мощностью 1 мВт испускает в 9 миллионов раз больше фотонов в секунду. При этом измерить её можно серийным прибором за несколько секунд.
Ключевые числа
- поток одиночных фотонов: 515 МГц
- оптическая мощность: 110 пВт
- время жизни экситона: 220 пс
- эффективность системы: 51.5%
- видимость HOM без фильтра: 55.14%