Запутанные фотоны передали в телекоммуникационном диапазоне

Квантовую точку впервые заставили излучать запутанные фотоны в наиболее энергетически эффективном С-диапазоне, используемом в оптоволоконной связи. Статья авторов разработки, немецких физиков из Университета Штутгарта, опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Генерация запутанных фотонов необходима для многих практических приложений, таких как квантовые повторители или квантовая криптография. В частности, для реализации квантовой связи на больших расстояниях нужно использовать каналы с низкими потерями. Стандартом в этой области является телекоммуникационный С-диапазон (1530–1565 нанометров), в котором потери при распространении фотонов наименьшие. Именно в этом диапазоне происходит передача информации по оптоволокну. Соответственно, чтобы запутанные фотоны можно было передавать на дальние расстояния по стандартным каналам информации, их частота должна лежать в С-диапазоне.

Существуют разные подходы к генерации запутанных фотонов. Например, спонтанное параметрическое рассеяние, страдающее от отсутствия масштабируемости. Авторы новой работы использовали для генерации фотонов полупроводниковые квантовые точки — такие области в полупроводнике, носители заряда в которых ограничены по всем трем измерениям. В этой системе запутанные пары фотонов могут излучаться через биэкситон-экситонный каскад, благодаря чему можно добиться высокой чистоты состояний, если тонкая структура экситонов достаточно слабо расщеплена.

Исследуемый образец был получен с помощью осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы и имел следующую сложную структуру. В качестве подложки ученые взяли полупроводник GaAs, над которым они наращивали буфер из того же полупроводника для получения высококачественной эпитаксиальной поверхности. Затем над образцом сформировали распределенный брэгговский отражатель из двадцати пар AlAs/GaAs. После этого физики нарастили метаморфический буфер (metamorphic buffer) из InGaAs с линейно возрастающим содержанием индия, что позволило последовательно изготавливать квантовые точки в InAs, излучающие на длине волны около 1,55 микрометра. Наконец, образец поместили в криостат с жидким гелием, чтобы поддерживать в нем температуру около четырех кельвинов.

Затем образец оптически возбуждали с помощью гелий-неонового-лазера (continuous wave laser) с длиной волны 633 нанометра. Для наблюдений использовались два спектрометра, оборудованных волновыми пластинками в четверть и половину длины волны, а также поляризационным светоделителем. Излучаемый квантовыми точками свет проходил через один из спектрометров и регистрировался ПЗС-матрицей, либо спектрометры работали как монохроматоры, подавая сигнал к однофотонным детекторам. Таким образом, физики могли наблюдать спектр излучаемых квантовыми точками фотонов и измерять их поляризацию.

Ученые измерили функции взаимной корреляции состояний излучаемых фотонов в трех базисах с различной поляризацией: горизонтальной-вертикальной, диагональной-антидиагональной и правой-левой. Всего они произвели 16 измерений. Затем с помощью этих данных ученые вычислили чистоту (fidelity) состояний Белла. Для максимально запутанного состояния ожидается значение, равное единице, некоррелированное излучение приводит к значению 0,25, классически коррелированный излучатель — к 0,5. В данном эксперименте чистота для выбранного временного окна длиной 195 пикосекунд составила 0,72 ± 0,06, что указывает на то, что генерируемые фотоны были запутанными.

Также увидеть квантовую запутанность можно, построив матрицу плотности состояний Белла. На существование запутанности указывают ярко выраженные особенности на внешних диагоналях действительной части матрицы. Менее заметные пики можно объяснить фоновым излучением, процессами перезахвата (recapture processes) или переворотами спинов.

Спектр излучаемых квантовой точкой фотонов имел два ярко выраженных пика на длине волны около 1540 и 1545 нанометров, оба пика лежат в С-диапазоне. За излучение с большей длиной отвечает биэкситонный переход той же самой квантовой точки, остальным пикам соответствуют переходы от других точек. На основании анализа спектра физики заключили, что тонкая структура точки составляет меньше десяти микроэлектронвольт.

Ранее ученые уже пытались сгенерировать фотоны в С-диапазоне с помощью квантовых точек. Тем не менее, относительно простой способ генерации с помощью распределенного брэгговского отражателя до последнего времени упускался из вида. В новой статье авторы предложили новый подход и впервые добились генерации запутанных фотонов с длиной волны 1,55 микрометра. Их работа поможет осуществить квантовую телепортацию на дальние расстояния, поскольку позволит эффективнее передавать запутанные фотоны.

С каждым годом физикам удается разносить запутанные фотоны все дальше и дальше. Например, в прошлом году ученые добились телепортации фотонов на расстояния порядка десяти километров, а совсем недавно китайские исследователи осуществили квантовую телепортацию порядка тысячи фотонов с поверхности Земли на орбиту.

Дмитрий Трунин