Один фотон за такт: конвейер света
На заводе конвейер выдаёт детали по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике такой конвейер делает источник одиночных фотонов: он должен испускать ровно один квант света за каждый цикл. Физики из Дании и Германии собрали конвейер, который срабатывает 515 миллионов раз в секунду, и больше половины фотонов доходят до конца световода.
Сердце конвейера — квантовая точка, крошечный островок арсенида индия внутри арсенида галлия. Когда в неё попадает лазерный импульс, она поглощает энергию и через 220 пикосекунд (миллиардных долей секунды) испускает один фотон. Чтобы точка не простаивала, лазерные импульсы нарезают с частотой до одного гигагерца — каждую наносекунду. Для этого непрерывный луч пропускают через два кристалла, которые открываются и закрываются по команде микросхемы.
Эффективность системы — доля фотонов, которые попадают в оптоволокно, — держится выше половины на всех трёх испытанных частотах: 56,2%, 53,8% и 51,5%. Чистота одиночных фотонов составила от 3,63% до 11,13%, то есть из сотни импульсов лишь несколько выдают по два фотона сразу. Самое неожиданное — способ измерения. Поток фотонов настолько плотный, что его мощность можно замерить обычным промышленным измерителем оптической мощности. 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 защищённую передачу данных по оптоволокну или служить эталоном слабого света в метрологии. Следующий шаг — сократить время жизни точки, чтобы поднять частоту выше гигагерца, либо расщепить поток на несколько каналов. Такой источник работает при комнатной температуре и не требует дорогих охлаждаемых детекторов, 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.