Квантовые технологии требуют совершенства: каждый фотон должен быть одинаков по энергии и выделяться поодиночке. Даже малейшие отклонения в количестве или энергии фотонов могут нарушить работу устройств, угрожая производительности квантовых компьютеров, которые однажды могут составить квантовый интернет.
Инженеры Северо-Западного университета разработали новую стратегию, которая делает источники квантового света, выдающие одиночные фотоны, более стабильными, точными и надёжными.
В новом исследовании команда покрыла атомарно тонкий полупроводник (диселенид вольфрама) слоистой органической молекулой под названием PTCDA. Покрытие преобразовало поведение диселенида вольфрама — превратило шумные сигналы в чистые всплески одиночных фотонов. Покрытие не только увеличило спектральную чистоту фотонов на 87%, но и контролируемым образом изменило цвет фотонов и снизило энергию активации фотонов — и всё это без изменения основных полупроводниковых свойств материала.
Работа [опубликована](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady7557) в Science Advances.
Простой масштабируемый метод может проложить путь к созданию надёжных и эффективных квантовых технологий для безопасной связи и сверхточных датчиков.
«Когда в диселениде вольфрама есть дефекты, например, недостающие атомы, материал может испускать одиночные фотоны, — сказал Марк К. Херсам, председатель кафедры материаловедения и инженерии и профессор материаловедения и инженерии в Северо-Западном университете. — Но эти точки излучения одиночных фотонов чрезвычайно чувствительны к любым загрязнениям из атмосферы. Даже кислород в воздухе может взаимодействовать с этими квантовыми излучателями и изменить их способность производить идентичные одиночные фотоны. Любая вариативность в количестве или энергии излучаемых фотонов ограничивает производительность квантовых технологий».
«Добавив высокооднородный молекулярный слой, мы защищаем излучатели одиночных фотонов от нежелательных загрязнений», — добавил Херсам.
Как это работает
Подобно автомату по продаже частиц, источники квантового света испускают по одному фотону за раз. Если источник испускает несколько фотонов одновременно или фотоны с разной энергией, последствия могут быть серьёзными. В квантовой связи, например, лишние фотоны ограничивают кибербезопасность. В квантовом зондировании фотоны с разной энергией могут снизить точность.
Исследователи пытались разработать источники фотонов, которые были бы одновременно яркими и чистыми — выдавали бы один идентичный фотон по требованию, каждый раз.
В новом исследовании Херсам и его команда сосредоточились на двумерном полупроводнике — диселениде вольфрама, в котором могут быть дефекты атомного масштаба, испускающие отдельные фотоны. Поскольку диселенид вольфрама имеет атомарную толщину, его дефекты и излучатели находятся прямо на поверхности, что делает их уязвимыми для нежелательных взаимодействий с атмосферными загрязнителями. Эта восприимчивость к вариативности ограничивает надёжность диселенида вольфрама для точных операций, требуемых в квантовых устройствах.
Чтобы преодолеть эти проблемы, команда Херсама покрыла обе стороны диселенида вольфрама PTCDA (перилентетракарбоновый диангидрид), органической молекулой, часто встречающейся в пигментах и красителях. Молекулы наносили в вакуумной камере по одному молекулярному слою за раз, что обеспечивало равномерность покрытия. Молекулярное покрытие защищало поверхность диселенида вольфрама и его квантовые излучатели дефектов, не изменяя его основную электронную структуру.
«Это молекулярно идеальное покрытие, которое создаёт однородную среду для мест излучения одиночных фотонов, — сказал Херсам. — Другими словами, покрытие защищает чувствительные квантовые излучатели от повреждения атмосферными загрязнителями».
Защищая материал от внешних воздействий, покрытие значительно улучшило спектральную чистоту фотонов. Оно также привело к тому, что фотоны перешли на более низкую энергию, что выгодно для устройств квантовой связи. В результате получился более контролируемый, воспроизводимый и высококачественный выход одиночных фотонов, что критически важно для квантовых технологий.
«Покрытие взаимодействует с квантовыми излучателями дефектов, но сдвигает энергию фотонов равномерно, — сказал Херсам. — В отличие от случайного загрязнения, взаимодействующего с квантовым излучателем, оно сдвигает энергию непредсказуемым образом. Однородность — ключ к получению воспроизводимости в квантовых устройствах».
Далее группа Херсама планирует исследовать другие полупроводниковые материалы и изучить дополнительные молекулярные покрытия для дальнейшего контроля над местами излучения одиночных фотонов. Команда также планирует использовать электрический ток для управления квантовым излучением, что облегчит объединение квантовых компьютеров в квантовый интернет.
«Главная идея заключается в том, что мы хотим перейти от отдельных квантовых компьютеров к квантовым сетям, а в конечном итоге — к квантовому интернету, — сказал Херсам. — Квантовая связь будет осуществляться с помощью одиночных фотонов. Наша технология поможет создать стабильные, настраиваемые и масштабируемые источники одиночных фотонов — основные компоненты для воплощения этой идеи в реальность».
appears in Science Advances.»,»The simple, scalable method could pave the way for reliable, efficient quantum technologies for secure communications and ultra-precise sensors.»,»\»When there are defects, such as missing atoms, in tungsten diselenide, the material can emit single photons,\» said Northwestern’s Mark C. Hersam, the study’s corresponding author. \»But these points of single-photon emission are exquisitely sensitive to any contaminants from the atmosphere. Even oxygen in air can interact with these quantum emitters and change their ability to produce identical single photons. Any variability in the number or energy of the emitted photons limits the performance of quantum technologies.»,»\»By adding a highly uniform molecular layer, we protect the single-photon emitters from unwanted contaminants.\»»,»Hersam is the chair of the Department of Materials Science and Engineering and Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering at Northwestern’s McCormick School of Engineering. He also is director of the Materials Research Science and Engineering Center and a member of the executive committee for the Institute for Quantum Information Research and Engineering.»,»Like a particle vending machine, quantum light sources release one—and only one—photon at a time. If a source emits multiple photons at the same time or photons of differing energies, the consequences can be serious. In quantum communication, for example, extra photons limit cybersecurity. In quantum sensing, photons of differing energies can reduce precision.»,»As these seemingly futuristic technologies come closer to reality, researchers have struggled to develop photon sources that are both bright and pure—delivering one identical photon, on demand, every time.»,»In the new study, Hersam and his team focused on two-dimensional semiconductor tungsten diselenide, which can host atomic-scale defects that emit individual photons. Because tungsten diselenide is atomically thin, its defects and emitters are right on the surface, leaving them exposed to unwanted interactions with atmospheric contaminants. This susceptibility to variability from random atmospheric species limits the reliability of tungsten diselenide for the precise operations required in quantum devices.»,»To overcome these issues, Hersam’s team coated both sides of tungsten diselenide with PTCDA (perylenetetracarboxylic dianhydride), an organic molecule often found in pigments and dyes. The team deposited the molecules in a vacuum chamber one molecular layer at a time, which ensured the coating remained uniform. The molecular coating protected the surface of tungsten diselenide and its quantum emitting defects, without changing its core electronic structure.»,»\»It’s a molecularly perfect coating, which presents a uniform environment for the single-photon-emitting sites,\» Hersam said. \»In other words, the coating protects the sensitive quantum emitters from being corrupted by atmospheric contaminants.\»»,»By protecting the material from environmental disturbances, the coating dramatically improved the photons’ spectral purity. The coating also caused the photons to shift to a lower energy, which is advantageous in quantum communication devices. The result is a more controlled, reproducible and higher-quality single-photon output, which is critical for quantum technologies.»,»\»While the coating does interact with the quantum emitting defects, it shifts the photon energy in a uniform way,\» Hersam said. \»In contrast, when you have a random contaminant interacting with a quantum emitter, it shifts the energy in an unpredictable manner. Uniformity is the key to getting reproducibility in quantum devices.\»»,»Next, Hersam’s group plans to investigate other semiconducting materials and to explore additional molecular coatings to achieve further control over single-photon-emitting sites. The team also plans to use an electric current to drive quantum emission, which will facilitate networking of quantum computers into a quantum internet.»,»\»The big idea is that we want to go from individual quantum computers to quantum networks, and ultimately, a quantum internet,\» Hersam said. \»Quantum communication will occur using single photons. Our technology will help build single-photon sources that are stable, tunable and scalable—the essential components for making that vision a reality.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tNorthwestern University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник