Создана первая система-на-чипе, генерирующая непрерывный поток запутанных фотонов

IT новости на Учитель программирования Ру
Мы очень часто рассказывали об уникальном явлении квантовой запутанности, благодаря которому запутанные частицы синхронизируют свое квантовое состояние, даже если они находятся в противоположных уголках на краю Вселенной. Связь квантовой запутанности настолько тонка и хрупка, что любая, даже самая деликатная попытка перехвата передаваемой информации становится явной и нарушает всю процедуру обмена. Но, для того, чтобы иметь возможность использовать на практике все преимущества квантовых коммуникаций и квантовой криптографии требуется некое устройство, способное генерировать непрерывный поток запутанных фотонов, потребляющее при этом незначительное количество энергии и имеющее габаритные размеры, которые позволят встраивать такие устройства на кристаллы современных чипов.

Все генераторы запутанных фотонов, созданные до последнего времени, имеют достаточно большие габариты. Самые маленькие из них имеют размеры в несколько миллиметров, что в тысячи раз больше того, что необходимо согласно техническим требованиям для встраивания в структуру кристаллов современных полупроводниковых чипов. Кроме этого, такие оптоэлектронные компоненты отличаются достаточно высоким уровнем потребления энергии, что делает их непрактичными для использования в портативной электронике с батарейным питанием, в частности, в мобильных телефонах.

Но группе исследователей из университета Павии (University of Pavia), Италия, удалось решить большую часть описанных выше проблем, создав устройство, которое производит непрерывный поток запутанных фотонов, а его размеры достаточно невелики для того, чтобы его можно было интегрировать в структуру чипов. Ключевым компонентом этого устройства является так называемый кольцевой микрорезонатор, кольцо из специального материала, диаметром 20 микрометров, шириной 500 нанометров и толщиной 220 нанометров, которое создается в кремниевой подложке. Луча лазера по оптоволокну подается в кольцо микрорезонатора, где фотоны, двигающиеся по кругу, приобретают свойство квантовой запутанности и покидают пределы устройства в заданном направлении.

“При помощи малых размеров кольца резонатора мы создаем область пространства, в котором совмещаются фотоны и материя, при этом, условная “плотность” фотонов имеет высокое значение” – рассказывает Даниэле Байони (Daniele Bajoni), ученый-физик из университета Павии, – “Достаточно длительное пребывание фотонов в таком пространстве вызывает взаимодействие между ними, которое приводит к появлению большого количества пар, запутанных на квантовом уровне”.

Генератор запутанных фотонов на основе кольцевого микрорезонатора способен производить порядка 10 миллионов пар запутанных фотонов в секунду, требуя при этом, менее милливатта электрической энергии, что в тысячи раз меньше уровня потребления энергии другими подобными устройствами. В качестве источника света используется лазер с длиной волны 1550 нанометров, которая достаточно часто применяется в области телекоммуникаций. А процесс изготовления кольца резонатора и других элементов генератора запутанных фотонов полностью совместим с существующими технологиями производства полупроводниковых приборов и микросхем.

В настоящее время Даниэле Байони и его коллеги уже работают над технологиями интеграции своего устройства в кристаллы полупроводниковых чипов. “Но мы хотим предостеречь потенциальных потребителей. Им еще нескоро доведется увидеть квантовую версию Интернета, через который можно будет посылать зашифрованные сообщения, не опасаясь за их безопасность” – пишут исследователи, – “Более вероятно, что первыми областями, в которых начнет применяться наша технология, станут технологии безопасного обмена информацией между двумя точками. Представьте себе некие квантовые банкоматы, с которыми клиенты будут работать при помощи квантовых криптографических ключей, квантовые торговые аппараты и другие системы квантовой связи типа “клиент-банк””.

Источник


Поделиться ссылочкой: