Полмиллиарда фотонов в секунду из одной точки
Конвейер на заводе выплёвывает детали строго по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике роль такого конвейера играет источник одиночных фотонов: он должен выдавать ровно один квант света за каждый цикл, и чем чаще циклы, тем больше фотонов уходит в оптоволокно. Датские инженеры из Sparrow Quantum вместе с физиками Рурского университета Бохума построили конвейер, который делает 515 миллионов шагов в секунду и при этом больше половины деталей доходят до конца линии.
Сердце конвейера — квантовая точка, крошечный островок арсенида индия внутри арсенида галлия. Когда в неё попадает лазерный импульс, она поглощает энергию и через 220 пикосекунд испускает один фотон. Это время жизни экситона, связанной пары электрона и дырки, которая рождается при поглощении. Пока пара не распадётся, точка молчит. Чтобы конвейер не простаивал, лазерные импульсы нарезают с частотой до одного гигагерца — каждую наносекунду. Для этого непрерывный луч пропускают через два электрооптических модулятора, которые открываются и закрываются по команде программируемой микросхемы.
Эффективность системы — доля фотонов, которые действительно попадают в одномодовое волокно, — держится выше половины на всех трёх испытанных частотах: 56,2% при 80 мегагерцах, 53,8% при 500 мегагерцах и 51,5% при одном гигагерце. Чистота одиночных фотонов, измеренная по автокорреляции второго порядка, составила 3,98%, 3,63% и 11,13% соответственно. Это значит, что из сотни импульсов лишь несколько выдают по два фотона сразу. После добавления фильтра на самой низкой частоте чистота улучшилась до 2,80%, а видимость двухфотонной интерференции Хонга-У-Манделя выросла с 55% до 92% ценой потери 12% света.
Самое неожиданное — способ измерения. Поток фотонов настолько плотный, что его мощность можно замерить обычным промышленным измерителем оптической мощности, как у инженеров-связистов. При гигагерцовой частоте мощность составила 110 пиковатт. Это в девять миллионов раз слабее, чем луч лазерной указки, но прибор справляется. Раньше для подсчёта фотонов требовались сверхпроводниковые детекторы, которые нужно охлаждать почти до абсолютного нуля. Теперь достаточно серийного устройства за несколько секунд.
Конвейер, который выдаёт по одному фотону за такт, уже сегодня может ускорять квантовое распределение ключей в оптоволоконных линиях или служить эталоном оптической мощности в метрологии. Следующий шаг — сократить время жизни излучателя, чтобы поднять тактовую частоту выше гигагерца, либо расщепить поток на несколько каналов для многофотонных экспериментов. Такой источник не требует криогенного охлаждения детекторов и работает при комнатной температуре, что делает его кандидатом на роль рабочей лошадки будущих квантовых сетей.
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.