Сфокусированный лазерный луч (слева, синий) создает одиночные фотографии с помощью одной квантовой точки внутри фотонных волноводов (красный), которые изготовлены поверх кристаллического арсенида галлия-(GaAs-) арсенида алюминия-галлия (Al0,2Ga0,8As). Два встречно-штыревые электроды (встречно-штыревые преобразователи, ВШП) генерируют наноразмерные звуковые волны (поверхностные акустические волны, ПАВ), которые динамически напрягают волноводы. Наноразмерная звуковая волна, генерируемая левым ВШП, меняет цвет испускаемых одиночных фотонов. Два волновода соединены двумя так называемыми многомодовыми интерференционными светоделителями (MMI). Звуковая волна, генерируемая правым IDT, сортирует отдельные фотоны в соответствии с их цветом (красный и зеленый) между двумя выходами справа.
Предоставлено: Доминик Бюлер

Световые и звуковые волны составляют технологическую основу современных коммуникаций. В то время как стеклянные волокна с лазерным излучением образуют Всемирную паутину, наноразмерные звуковые волны на чипах обрабатывают сигналы на гигагерцовых частотах для беспроводной передачи между смартфонами, планшетами или ноутбуками. Один из самых насущных вопросов будущего заключается в том, как эти технологии могут быть распространены на квантовые системы для создания безопасных (т. е. бесконтактных) квантовых коммуникационных сетей.

«Кванты света или фотоны играют центральную роль в развитии квантовых технологий», — говорит физик профессор Хуберт Креннер, который возглавляет исследование в Мюнстере и Аугсбурге. «Нашей команде удалось генерировать отдельные фотоны на чипе размером с ноготь большого пальца, а затем управлять ими с беспрецедентной точностью, синхронизируя их с помощью звуковых волн», — говорит он.

Доктор Маурисио де Лима, занимающийся исследованиями в Университете Валенсии и координирующий работу, проводимую там, добавляет: «Принцип работы нашего чипа был известен нам в отношении обычного лазерного излучения, но теперь, используя кванты света, нам удалось в совершении долгожданного прорыва к квантовым технологиям».

В своем исследовании исследователи изготовили чип, оснащенный мельчайшими «проводящими дорожками» для квантов света — так называемыми волноводами. Они примерно в 30 раз тоньше человеческого волоса. Кроме того, этот чип содержал квантовые источники света, так называемые квантовые точки.

Доктор Маттиас Вайс из Университета Мюнстера провел оптические эксперименты и добавил: «Эти квантовые точки размером всего в несколько нанометров представляют собой островки внутри волноводов, которые излучают свет в виде отдельных фотонов. Квантовые точки включены в наш чип и поэтому нам не нужно использовать сложные методы для генерации отдельных фотонов с помощью другого источника».

Доктор Доминик Бюлер, разработавший квантовые чипы в рамках своей докторской диссертации из Университета Валенсии, указывает на скорость технологии: «Используя наноразмерные звуковые волны, мы можем напрямую переключать фотоны на чипе туда и обратно между двумя выходами с беспрецедентной скоростью во время их распространения в волноводах».

Исследователи считают свои результаты важной вехой на пути к гибридным квантовым технологиям, поскольку они объединяют три разные квантовые системы: квантовые источники света в виде квантовых точек, создаваемые кванты света и фононы (квантовые частицы в звуковой волне). Гибридные квантовые чипы, разработанные в Университете Валенсии и изготовленные в Институте твердотельной электроники Пола Друде с использованием квантовых точек, произведенных в Техническом университете Мюнхена, превзошли ожидания исследовательской группы.

Международная команда сделала еще один решительный шаг к акустическим квантовым технологиям. «Мы уже работаем над улучшением нашего чипа, чтобы мы могли программировать квантовое состояние фотонов по своему желанию или даже управлять несколькими фотонами разных цветов между четырьмя или более выходами», — говорит доктор Маурисио де Лима.

Профессор Хьюберт Креннер добавляет: «Здесь мы извлекаем выгоду из уникальной силы, которой обладают наши наноразмерные звуковые волны: поскольку эти волны распространяются практически без потерь по поверхности чипа, мы можем точно контролировать почти столько волноводов, сколько захотим, с помощью всего одной единственной волны — и с чрезвычайно высокой степенью точности».