Современный интернет основан на способности данных перемещаться на большие расстояния без потерь, и лучший способ достичь этого — задействовать фотоны, отдельные единицы света. Фотоны обладают высокой стабильностью, что делает их идеальными для передачи квантовой информации на большие расстояния, процесса, который требует поддержания деликатного состояния запутанности в течение длительного периода времени. Такие фотоны могут быть получены различными способами, включая использование квантовых дефектов атомного масштаба в кристаллах для генерации отдельных фотонов в чётко определённом квантовом состоянии.
Десятилетия оптимизации привели к появлению оптоволоконных кабелей, способных передавать фотоны с чрезвычайно низкими потерями, но только для света в узком диапазоне длин волн, известном как «диапазон длин волн телекоммуникаций». Выявление квантовых дефектов, которые производят фотоны на этих длинах волн, оказалось сложной задачей. Однако исследователи из Инженерного колледжа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, финансируемые Министерством энергетики США и Национальным научным фондом, пролили свет на эту проблему.
В статье, опубликованной в журнале APL Photonics, авторы описали свои выводы о роли атомных вибраций в процессе излучения фотонов и о том, как различные свойства дефектов влияют на эффективность излучения. «Атомы постоянно вибрируют, и эти вибрации могут отнимать энергию у излучателя света, снижая эффективность излучения фотонов», — объясняет профессор материаловедения UCSB Крис Ван де Валле.
Модель, разработанная группой Ван де Валле, показывает, почему эффективность однофотонного излучения резко падает при переходе от видимого света к инфракрасным длинам волн в телекоммуникационном диапазоне.
Исследователи обнаружили, что атомные вибрации могут отнимать энергию у излучателя света, что приводит к снижению эффективности излучения фотонов. Они также выяснили, что эффективность излучения фотонов зависит от различных свойств дефектов, таких как их электронная структура и взаимодействие с окружающей средой.
Для преодоления низкой эффективности исследователи предлагают два многообещающих способа: тщательный выбор исходного материала и проведение атомно-уровневой инженерии вибрационных свойств. Они также рассматривают возможность соединения квантовых излучателей с фотонной полостью, используя опыт профессора компьютерной инженерии Галана Муди и аспиранта Камьяра Парто. Этот подход может помочь увеличить эффективность излучения фотонов за счёт усиления взаимодействия между квантовым излучателем и фотонной полостью.
Группа учёных надеется, что их модель и полученные знания помогут в разработке новых квантовых излучателей, которые будут питать квантовые сети будущего. Эта работа имеет важное значение для развития квантовых коммуникаций и создания более безопасного и быстрого интернета. Исследователи также отмечают, что их модель может быть использована для прогнозирования эффективности излучения фотонов для различных типов квантовых дефектов и материалов, что может ускорить разработку эффективных квантовых излучателей.