Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad de Siegen han explicado el mecanismo de generación de un solo fotón en diodos de diamante. Sus hallazgos, publicado en Revisión física aplicada , ofrecen nuevas vías para el desarrollo de fuentes de fotón único de alta velocidad para las redes de comunicación cuántica y las computadoras cuánticas del futuro.

El funcionamiento a nivel de fotón único aumenta la posibilidad de desarrollar dispositivos informáticos y de comunicación completamente nuevos, que van desde generadores de números aleatorios de hardware hasta computadoras cuánticas. Quizás la tecnología cuántica más esperada es la comunicación cuántica. Criptografía cuántica, que se basa en las leyes de la física cuántica, Garantiza la seguridad incondicional de las comunicaciones. En otras palabras, es fundamentalmente imposible interceptar el mensaje transmitido, sin importar el equipo o la cantidad de potencia informática disponible para el hacker. Incluso una poderosa computadora cuántica no puede ayudar en este caso. Sin embargo, la implementación de líneas de comunicación cuántica y otros dispositivos cuánticos se basa inevitablemente en fuentes eficientes de fotón único.

Es una necesidad práctica que las fuentes de fotón único funcionen en condiciones estándar y se bombeen eléctricamente, es decir, Deben funcionar a temperatura ambiente y funcionar con una batería. Estos requisitos cruciales no son tan fáciles de cumplir. Primero, los sistemas cuánticos no son realmente compatibles con altas temperaturas, lo que significa que deben operar en un refrigerador o criostato para enfriarlos a la temperatura del helio líquido o incluso más frío, por debajo de 1 kelvin, que es igual a -272 grados Celsius. Aunque el uso de tales dispositivos se ha convertido en una práctica estándar en la investigación física, un sistema de refrigeración de este tipo es tremendamente impráctico, inhibir la producción en masa de dispositivos cuánticos. También, la noción de un sistema cuántico implica la ausencia de interacciones incontroladas con el entorno circundante. Un ejemplo clásico de tal sistema es un solo átomo en una cámara de vacío. Aunque su interacción con el medio ambiente es insignificante, Sin embargo, los físicos pueden controlar sus estados de electrones con un láser. Al iluminar la cámara con un rayo láser, un electrón es promovido desde un orbital ocupado de menor energía a un orbital vacío de mayor energía. Después, el átomo se relaja al estado inicial a través de la emisión de fotones. El problema es que dicho sistema no se puede bombear eléctricamente.

Durante las últimas dos décadas, La investigación en curso en el campo de la óptica cuántica y la electrónica ha demostrado que incluso los sistemas cuánticos de semiconductores no producen resultados satisfactorios con bombeo eléctrico a temperatura ambiente. mientras que muchos de los otros materiales no conducen electricidad en absoluto.

La sorprendente solución a este problema se encontró previamente en el diamante, un material que exhibe propiedades en la interfaz entre semiconductores y dieléctricos. Los investigadores encontraron que ciertos puntos en la red cristalina del diamante pueden funcionar como sistemas cuánticos con características de emisión de fotones sobresalientes. Es más, encontraron que estos sistemas cuánticos son capaces de emitir fotones individuales cuando una corriente eléctrica pasa a través del diamante. Sin embargo, la física detrás de este fenómeno seguía siendo desconocida y no estaba claro cómo diseñar fuentes de fotón único rápidas y eficientes basadas en centros de color.

En el nuevo periódico, Los investigadores del MIPT y de la Universidad de Siegen establecieron un mecanismo de emisión de fotón único desde centros de vacantes de nitrógeno bombeados eléctricamente en diamantes y determinaron los factores que afectan la dinámica de emisión de fotones. Según su investigación, el proceso de emisión de un solo fotón se puede dividir en tres etapas:(1) la captura de electrones por un centro de color, (2) la captura del agujero, es decir, la pérdida de un electrón, y (3) las transiciones de electrones o huecos entre niveles de energía del centro de color. Juntos, estas tres etapas son análogas a un revólver de disparo.

Disparar una bala en esta analogía significa emitir un solo fotón. Un electrón es capturado por el defecto; piense en esto como si retirara el martillo de una pistola. Entonces se aprieta el gatillo, que pone en movimiento el mecanismo de activación, lanzando el martillo contra el cebador del cartucho. Este movimiento inverso del martillo corresponde a la captura de un agujero por el centro de color. Entonces la cartilla explota, encender el propulsor, y los gases de combustión empujan la bala a lo largo y fuera del cañón. Similar, el agujero capturado en el centro de color sufre transiciones entre los estados base y excitado, lo que resulta en la emisión de un fotón. Los ciclos posteriores repiten el primer ciclo, con la excepción de que no es necesario un cartucho nuevo, porque el centro de color es capaz de emitir cualquier número de fotones de uno en uno.

Un requisito importante para una fuente práctica de fotón único es que debe emitir fotones en momentos predeterminados, desde el momento en que se emite el fotón, vuela a la velocidad de la luz. "En cierto sentido, es como un duelo de empate rápido en el salvaje oeste, "dice Dmitry Fedyanin." Dos vaqueros sacan sus armas en el momento en que el reloj marca. Quien dispara primero suele ser el ganador. Cualquier retraso podría costarles la vida a cada uno de ellos. Con dispositivos cuánticos, la historia es más o menos la misma:es crucial generar un fotón precisamente en el momento en que lo necesitamos ". En su artículo, los investigadores muestran qué determina el tiempo de respuesta de una fuente de fotón único, es decir, el retraso antes de que la fuente emita un fotón. También evaluaron la probabilidad de emitir un nuevo fotón en el tiempo τ después de la emisión del primer fotón. Como resulta, el tiempo de respuesta se puede ajustar y mejorar en varios órdenes de magnitud cambiando las características del diamante mediante el dopaje o controlando las densidades de electrones y agujeros inyectados en el diamante. Aparte de esto, Fedyanin dice:el estado inicial del centro de color se puede controlar variando su posición en el diodo de diamante. Esto es similar a cómo un pistolero podría amartillar el revólver para un disparo más rápido o poner el arma en medio gallo.

El modelo físico propuesto por los investigadores arroja luz sobre el comportamiento de los centros de color en el diamante. Además de proporcionar una interpretación cualitativa, el enfoque teórico propuesto reproduce resultados experimentales recientes. Esto abre una nueva posibilidad para el diseño y desarrollo de fuentes prácticas de fotón único con las características deseadas, que son vitales para la realización de dispositivos de información cuántica, como líneas de comunicación incondicionalmente seguras basadas en criptografía cuántica.