Твердотельные источники одиночных фотонов доказывают свою пригодность для потенциальных применений - ученые из Стэнфордского университета продемонстрировали квантовую телепортацию для фотонных состояний, приготовленных на основе одиночных фотонов, испущенных отдельной квантовой точкой.

Существует ряд практических приложений, для которых требуются управляемым образом генерировать одиночные фотоны. Одно из таких приложений - квантовая криптография , и в данной области исследования уже перерастают в "товарную фазу", т.е. готовые устройства выходят на рынок. Другая (очень модная) область, в которой могут требоваться источники одиночных фотонов - создание квантовых компьютеров , устройств, которые должны существенно превосходить в быстродействии обычные компьютеры при решении ряда задач. До изготовления работающих квантовых компьютеров дело еще не дошло, но объем исследований в этом направлении очень велик. Предлагаются разнообразные схемы реализации квантовых компьютеров, и среди них - оптические. Фотоны являются практически идеальными носителями информации как с точки зрения скорости передачи информации, так и с точки зрения возможности манипулирования ими с помощью простейших оптических устройств. Задача состоит в том, чтобы организовать выполнение логических операций с использованием отдельных фотонов. Одна из самых перспективных предложенных схем организации логических элементов на основе линейных оптических элементов предполагает использование квантовой телепортации состояний электромагнитного поля (про приготовление состояний см. в новости от 29.07.02).

Рис.1. Схема эксперимента по одномодовой телепортации. Каждый из кубитов представляет собой один фотон, занимающий две оптические моды (1 и 2 - основной, 3 и 4 - вспомогательный). Первый из двух фотонов ("вспомогательный") проходит дополнительный путь для того, чтобы устранить разницу во времени рождения фотонов. Светоделители BS a (BS t) используются для того, чтобы вспомогательный (основной) кубиты представляли собой суперпозицию однофотонного и вакуумного состояния. После смешения двух мод (2 и 3) на светоделителе BS 1 происходит измерение (срабатывание одного из детекторов C или D). Если один из детекторов (С в данных экспериментах) фиксирует приход одного фотона, то оказываются "завязанным" ранее не связанные моды 1 и 4, т.е. происходит телепортация квантового состояния моды 2 на моду 4. В отсутствии детекторов "на выходе" имелся бы кубит (образованный одним фотоном, занимающим моды 1 и 4), состояние которого эквивалентно состоянию основного кубита "на входе".

Обычно для получения пар запутанных фотонов и одиночных фотонов служит процесс спонтанного параметрического распада фотона накачки, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью. Однако по многим причинам более привлекательными являются твердотельные источники одиночных фотонов, которые могут быть легко интегрированы в твердотельные электронные устройства. Одним из основных кандидатов на роль таких источников являются "искусственные атомы" - полупроводниковые квантовые точки. Мы уже писали о работе ученых из Стэнфордского университета, продемонстрировавших синхронизированный источник одиночных фотонов на основе квантовых точек InGaAs в GaAs. Также была продемонстрирована возможность генерации пар коррелированных фотонов с использованием отдельных квантовых точек. Процесс генерации пары коррелированных фотонов (или одиночных фотонов) происходит следующим образом. Под действием лазерного излучения в квантовой точке рождается одна или несколько электрон- дырочных пар. Электростатическое взаимодействие между парами (если пара не одна) приводит к изменению положения уровней энергии. Соответственно, если в квантовой точке присутствуют две электрон-дырочные пары, то первая и вторая пара при рекомбинации испускают фотоны, несколько различающиеся по энергии, что дает возможность (с помощью спектральной фильтрации) отбирать фотоны, испущенные при рекомбинации каждой пары (один или два - по необходимости).

И вот недавно ученые из Стэнфордского университета успешно продемонстрировали использование одиночных фотонов, генерируемых при оптическом возбуждении отдельной квантовой точки, находящейся в микрорезонаторе , в экспериментах (см.схему на рис.1) по квантовой телепортации состояний электромагнитного поля [1]. Для простейшего варианта эксперимента требуется два фотона, на основе которых приготовляются два квантовых бита (кубита),"основной" и "вспомогательный", представляющих собой суперпозицию однофотонного и вакуумного состояния. Было показано, что с помощью двух независимых фотонов, испущенных отдельной квантовой точкой, и линейных оптических элементов можно реализовать процедуру одномодовой квантовой телепортации, использующуюся в упомянутой выше схеме оптических квантовых вычислений(в новости от 29.07.02 упоминается о подобных экспериментах (ссылка [3]), отличие состоит в том, что там генерация пары запутанных фотонов происходила с использованием процесса спонтанного параметрического распада фотона накачки).

1. D.Fattal, E.Diamanti, K.Inoye and Y.Yamamoto. Phys.Rev.Lett., v.92, 037904 (2004).

Е.Онищенко