Новости

Oct 28, 2023

Новое все

Квантовые технологии обещают революционизировать общество, предоставив радикально новые возможности.

Квантовые технологии обещают произвести революцию в обществе, предоставив радикально новые методы коммуникации, зондирования и вычислений. Это мир возможностей, которые наука во многом только начала обрисовывать.

Например, квантовая криптография, если бы она была реализована, обеспечила бы беспрецедентный уровень защиты данных от гнусных хакеров. Это потому, что квантовая информация может быть закодирована в фотонах — отдельных частицах света — которые невозможно скопировать или измерить. Нарушители будут немедленно разоблачены.

Однако одним из серьезных препятствий для квантовой криптографии, которое ученые должны сначала преодолеть, является способность создавать фотоны способами, которые могли бы надежно питать квантовые сети или квантовый Интернет.

Теперь группа исследователей под руководством Бубакара Канте, доцента Чэньмина Ху на факультете электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли и научного сотрудника отдела материаловедения Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), продемонстрировала первую технологию, работающую по запросу. квантовый источник света на основе кремния. Канте говорит, что кремний — материал, из которого каждый день изготавливаются миллионы крошечных электронных устройств, — является наиболее «масштабируемым» из известных оптоэлектронных материалов.

Их исследование было опубликовано сегодня в журнале Nature Communications.

«Возможность использовать кремний в качестве источника квантового света означает, что текущие крупномасштабные процессы производства чипов на основе дополнительных металлооксидных полупроводников (КМОП), лежащие в основе сегодняшних устройств оптоэлектроники и искусственного интеллекта (ИИ), могут быть напрямую использованы для будущих квантовых систем. », — сказал Канте.

С конца 1970-х годов было продемонстрировано множество многообещающих однофотонных квантовых устройств для квантовой криптографии. В их число входит такая экзотика материаловедения, как квантовые точки, центры окраски в широкозонных материалах, нелинейные кристаллы и атомные паровые ячейки.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, не существует явного победителя среди квантовых источников света, которые могли бы питать квантовый Интернет.

Квантовый интернет в больших масштабах, объяснил Канте, потребует не только яркого и эффективного источника квантового света, но и фотонов, которые смогут распространяться по существующим оптическим волокнам, не поглощаясь. Ни один источник света, доступный сегодня, не может соответствовать этой высокой планке. Все они требуют преобразования энергии для интеграции с КМОП-совместимыми платформами, как это происходит сегодня со встроенными «классическими» источниками света.

Но проблема интеграции квантовых устройств с платформами, совместимыми с КМОП, даже более серьезна, чем для классических систем, сказал Канте. Это потому, что каждый интерфейс допускает потери квантового света, которые необходимо минимизировать.

Кремниевый квантовый источник света, разработанный командой Калифорнийского университета в Беркли и лаборатории Беркли, является первой экспериментальной работой, демонстрирующей интеграцию одного атомного излучательного центра кремния, известного как G-центр, непосредственно в кремниевый нанофотонный резонатор, пояснил Канте.

«В этой работе мы впервые успешно внедрили атомный дефект в кремнии размером с атом (1 ангстрем) в кремниевую фотонную полость (1 микрон) размером менее одной десятой человеческого волоса. Полость заставляет атом быть ярче и излучать фотоны с большей скоростью. Это необходимые ингредиенты для масштабируемых источников квантового света для будущего [квантового] ​​Интернета», — сказал он.

Успешное производство однофотонных эмиттеров предполагает контролируемую последовательность изготовления, начиная с кремниевой пластины коммерческого качества, в которую имплантирован углерод. За имплантацией следуют литография, травление и термический отжиг — все стандартные процессы, доступные на современных предприятиях по производству полупроводников.

Задача, по словам Канте, заключается в создании атомных излучающих центров и контроле их плотности и распределения для успешного перекрытия с оптическими полостями. Команда преодолела некоторые ключевые проблемы, но необходимы улучшения, и на многие вопросы еще предстоит ответить.