Исследователи из Кембриджского университета разработали новый метод получения единичных фотонов света путем контроля движения отдельных электронов внутри структуры специально разработанного для этих целей светодиода (light-emitting diode, LED). Этот новый метод отличается простотой, тем не менее, он способен поставлять фотоны света со стабильно повторяющимися характеристиками и параметрами, что очень важно с учетом возможности использования такого источника фотонов в областях квантовых вычислений и коммуникаций.
Единственный фотон (элементарная частица света) может выступать в роли квантового бита и нести квантовую информацию на расстояния, исчисляющиеся сотнями километров. Поэтому источник, способный вырабатывать единичные фотоны полностью контролируемым образом, является неотъемлемым фундаментальным блоком большинства современных квантовых технологий.
Большинство существующих источников единичных фотонов были созданы на базе так называемых квантовых точек на основе полупроводниковых материалов или искусственных дефектов в кристаллической решетке алмаза. Производство таких квантовых точек зависит от многих факторов и является, по сути, совершенно случайным процессом. Таким образом, становится очень трудно контролировать точное местоположение будущего источника и характеристики вырабатываемых им фотонов. И такая случайная природа этих источников максимально затрудняет их интеграцию в состав больших и сложных квантовых систем.
Источник фотонов, созданный учеными из Кембриджа, представляет собой устройство, размещенное на подложке из арсенида галлия. Оно состоит из электронной области и области, где основными носителями электрического заряда являются электронные дырки, а разделяются эти две области узким промежуточным каналом строго определенной ширины.
Ширина разделительного канала специально выбрана такой, что никакой электрон не может самостоятельно перескочить через этот канал в нормальных условиях. Но когда вдоль линии канала запускается акустическая волна определенной формы, она, эта волна, также вызывает волну электрического потенциала, в точке минимума которого находится только один электрон. И эта волна потенциала, подобно ленте конвейера, переносит электроны в области электронных дыр одного за другим. Попавший в эту область электрон объединяется с дырой, а содержащаяся в дыре и электроне лишняя энергия выделяется в виде фотона света.
Помимо того, что при помощи такого источника можно получать фотоны света, следующие строго в необходимый момент времени, этот источник дает возможность управления поляризацией фотонов света, которая напрямую зависит от значения спина электрона, перенесенного волной через канал. Поэтому новое устройство можно будет использовать в качестве кодировщика квантовой информации в «летающих кубитах» фотонов света, что позволит создать широкомасштабные квантовые коммуникационные сети и сети распределенных квантовых вычислений.