Новая структура каналов для передачи данных решит проблемы, которые, как ожидается, возникнут в эпоху квантовых вычислений.
Британские физики из Университета Бата разработали волокна с микроструктурированной сердцевиной, состоящей из сложного рисунка воздушных карманов. В отличие от оптоволокна со сплошным сердечником в современных каналах связи они подходят для передачи света на длинах волн квантового интернета будущего.
Оптические волокна в современных телекоммуникационных сетях передают свет на длинах волн, которые обеспечивают минимальные потери при распространении света в кварцевом стекле, объясняют ученые. Но эти длины волн несовместимы с рабочими диапазонами источников одиночных фотонов, кубитов и активных оптических компонентов квантовой связи.
В специальных волокнах, которые разработали физики из Университета Бата, по всей длине создана микроструктурированная сердцевина, состоящая из сложного рисунка воздушных карманов. Такая структура позволяет исследователям манипулировать свойствами света внутри волокна, создавать запутанные пары фотонов, изменять цвет фотонов или даже захватывать отдельные атомы внутри волокон.
Низкие потери, низкая задержка и низкая дисперсия волокон с полой сердцевиной делают их привлекательными для передачи данных в квантовых сетях как на короткой, так и на длинной дистанции, добавляют ученые. В исследовании, опубликованном в журнале Applied Physics Letters Quantum, физики обсуждают проблемы, связанные с квантовым интернетом, а также представляют решения для масштабируемой и надежной широкомасштабной квантовой сети.
Как и существующий интернет, квантовый интернет будет полагаться на оптические волокна для передачи информации от узла к узлу. Эти оптические волокна, вероятно, будут сильно отличаться от тех, что используются в настоящее время, и потребуют другой поддерживающей технологии, чтобы быть полезными.

Источник:
https://hightech.fm/

Эффективность генерации-детектирования фотонов достигла 90 процентов
Немецкие физики смогли создать мультиплексную атомно-фотонную запутанность с эффективностью генерации-обнаружения около 90 процентов. Для этого ученые использовали оптический пинцет, чтобы разместить атомы в двумерном массиве в оптической решетке, и облучали их один за другим при помощи лазера в резонаторе Фабри — Перо. Результаты опубликованы в журнале Science.
Квантовые вычисления и квантовые компьютеры имеют огромный потенциал для решения задач, недоступных обычным компьютерам. Однако масштабирование таких систем до многих кубитов остается сложной задачей из-за потерь в оптических системах связи и неустранимых ошибок. Одним из решений может быть разработка квантовой сети, состоящей из небольших квантовых регистров, содержащих вычислительные кубиты, которые обратимо связаны с коммуникационными кубитами. Это позволит преодолеть потери и ошибки благодаря мультиплексному квантовому протоколу, включающему повторители и механизмы исправления квантовых ошибок.
Группе ученых под руководством Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка удалось создать подобный регистр. Для этого ученые охлаждали лазером атомы рубидия-87 (87Rb) и размещали их при помощи оптического пинцета в узлах решетки оптической ловушки. Физикам удалось размещать и контролировать таким образом до шести атомов рубидия, что существенно больше, чем в предыдущих экспериментах. Оптическая решетка была организована внутри резонатора Фабри — Перо. При помощи лазера физики создавали начальное состояние и когерентное возбуждение атомов. Рожденные фотоны, покидающие резонатор, проходили через оптическую систему и регистрировались при помощи сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов.
В результате ученым удалось создавать и регистрировать фотоны, квантово-запутанные с атомами. При этом за счет увеличения количества атомов вероятность зарегистрировать хотя бы один запутанный фотон выше, чем у одиночных кубитов. Физикам удалось достичь стабильной эффективности генерации-обнаружения на уровне 90 процентов.
Ученые отмечают, что их подход может быть масштабирован до систем из многих атомов. Это увеличит вероятность генерации-обнаружения и повысит надежность работы квантового регистра.
Физики продолжают исследовать возможность создания устойчивых квантовых сетей для распределенных квантовых вычислений. Например, недавно ученые показали, что можно реализовать квантовые облачные вычисления, объединив фотоны с ионами.
Источник:
https://nplus1.ru/

В Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН предложена концепция стержневого иттербиевого «усилителя расходящегося пучка», которая позволяет одновременно достичь и высокой пиковой, и высокой средней по времени мощности излучения. Она позволит стержневым лазерам составить серьёзную конкуренцию доминирующим на рынке слэбовым и дисковым лазерам, благодаря своей простоте и эффективности.
Со времён изобретения лазера наиболее популярной геометрией твердотельной активной среды всегда являлся стержень. Простота реализации, эффективное усиление и возможность извлечения импульсов высокой энергии сделали неодимовые, титан-сапфировые, хромовые и другие стержневые лазеры «рабочими лошадками» в различных областях науки и техники. В последние годы наибольшую популярность обрели иттербиевые лазеры, достигшие рекордного сочетания высокой пиковой и высокой средней по времени мощности, став широко востребованными в области лазерной спектроскопии, ускорения заряженных частиц, генерации терагерцового и рентгеновского излучения, лазерной ударной обработки материалов и т. д.
Однако одновременное достижение высокой пиковой и средней мощности является задачей, требующей нестандартного подхода, накладывающей на лазерную систему различные, порой противоречащие друг другу, требования. С одной стороны, для повышения пиковой мощности, которая определяется энергией и длительностью импульсов, необходимо увеличивать площадь лазерного пучка и апертуру активного элемента, чтобы избежать оптического пробоя. С другой стороны, для повышения средней мощности необходимо повышать эффективность охлаждения активного элемента, чего можно добиться за счёт уменьшения его размера в направлении охлаждения. В стержневой геометрии для этого необходимо уменьшать радиус стержня, что приводит к невозможности повышения энергии импульсов. В результате стержневые иттербиевые лазеры заняли узкую нишу параметров с большой средней мощностью (>100 Вт), но малой энергией импульсов (<10 мДж), уступив первенство лазерам на тонких слэбах и на тонких дисках. Тем не менее, геометрия стержня всегда была, есть и будет предпочтительнее благодаря своей простоте и эффективности.
Концепция предложенного в ИПФ РАН стержневого иттербиевого усилителя позволяет сочетать высокую среднюю мощность и большую энергию импульсов. Концепция основана на использовании стержневого активного элемента, выполненного в форме усечённого конуса, где излучение накачки и лазера распространяются от меньшего торца к большему, а размеры пучков увеличиваются по мере распространения.
В результате, в узкой части стержня (на рисунке слева) обеспечивается эффективное усиление сигнала за счёт высокой интенсивности накачки и хорошей эффективности охлаждения в данной области. Широкая же часть стержня служит для извлечения импульсов большой энергии без риска пробоя выходного торца.
«Ключевой проблемой, с которой мы столкнулись при реализации данной концепции, — рассказал один из авторов работы Иван Кузнецов, старший научный сотрудник ИПФ РАН, — стали факторы, препятствующие увеличению размера пучка при усилении, среди которых тепловая линза, поперечная неоднородность коэффициента усиления и нелинейная самофокусировка. Расчёты показали, что для компенсации влияния данных факторов нужно существенно увеличить начальную расходимость усиливаемого пучка. При этом единственным возможным способом достижения требуемой расходимости является придание входному торцу активного элемента вогнутой сферической формы, который стал играть роль рассеивающей линзы».
С использованием предложенной концепции удалось втрое повысить выходную энергию импульсов, сохранив при этом высокую среднюю мощность, эффективность усиления и качество пучка. Полученное сочетание параметров на сегодняшний день является рекордным среди стержневых иттербиевых лазеров, а дальнейшая оптимизация позволит в скором времени их увеличить. Данная работа существенно расширит круг задач стержневых иттербиевых лазеров, что позволит им составить серьёзную конкуренцию доминирующим на рынке слэбовым и дисковым лазерам, благодаря своей простоте и эффективности.
Авторы: Иван Кузнецов, Сергей Чижов, Олег Палашов. Работа опубликована в журнале Optic Letters.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 18-12-00416).

Источник: https://ipfran.ru

Ученые из Сколтеха и Университета Вупперталя в Германии под научным руководством вице-президента по фотонике Сколтеха Павлоса Лагудакиса, лауреата научной премии «Вызов», создали универсальный логический элемент NOR (от английского NOT — оператор отрицания и OR — оператор логической суммы «или»). Он разработан на основе поляритонных конденсатов, функционирует при комнатной температуре, имеет множественные входы, может работать в сотни раз быстрее электронных аналогов, а также является полностью оптическим — то есть работает без участия электрического тока. Важно, что такие логические элементы можно воспроизводить и соединять в цепи, то есть каскадировать.
Результаты работы представлены в журнале Nature Communications. По словам исследователей, на базе нового вентиля NOR можно создать любые типы логических элементов, необходимых для оптических микросхем, и проводить вычисления без участия электрического тока. Результаты исследования приближают ученых к давней мечте о создании оптических компьютеров, которые смогут работать в сотни раз быстрее традиционных компьютеров на основе электронных технологий.
«Мы впервые на практике реализовали каскадируемый оптический универсальный логический вентиль, а значит, наши эксперименты открывают путь к созданию полностью оптического вычислителя. Дело в том, что современные компьютеры ограничены по частоте работы электронного процессора в несколько ГГц. С 1980-х годов для увеличения скорости вычислений производители постоянно увеличивали тактовую частоту процессора, но затем столкнулись с принципиальным физическим ограничением — если поднимать частоту процессора выше нескольких ГГц, то процессор просто превращается в электрообогреватель.
В 2019 году наша лаборатория разработала первый в мире сверхбыстрый оптический поляритонный транзистор, который работает при комнатной температуре и является основным строительным блоком оптических поляритонных логических цепей. А в чем преимущество оптики? Прежде всего она не ограничена несколькими ГГц тактовой частоты. Мы можем работать с поляритонными транзисторами с частотой до одного ТГц, что примерно в 300 раз быстрее электронных аналогов. В другой нашей работе мы показали, что для управления оптическим поляритонным транзистором достаточно одного фотона, что не может быть реализовано в любой другой оптической системе», — рассказал первый автор работы Денис Санников, заместитель руководителя Лаборатории гибридной фотоники в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
Логические элементы — или вентили — выполняют в устройстве различные логические операции — конъюнкцию, дизъюнкцию, отрицание и так далее. Процессор в компьютере состоит из миллиардов транзисторов, объединенных в эти логические элементы, которые при подаче какого-то входного сигнала, производят внутренние вычисления и выдают, например, изображение на экран. Логический вентиль принимает на каждый из своих входов сигнал с логическим уровнем «0» или «1», а на выходе возвращает сигнал «0» или «1» в соответствии с предварительно заданными правилами. Обычно электронные вентили имеют 2-8 входов и 1-2 выхода, но в экспериментах ученых Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха новый оптический универсальный вентиль успешно справился с 12 входами — в этом еще одно конкурентное преимущество разработки.
«Для создания универсального вентиля мы использовали особые свойства „жидкого света“ — так сейчас называют поляритонные конденсаты, способные усиливать слабые оптические сигналы в десятки тысяч раз. Чтобы создать такой „жидкий свет“, для начала мы должны сконденсировать поляритоны в основное состояние. Если проводить параллель, то это подобно водяному пару в воздухе, который превращается в воду на холодном стекле окна. Мы же пошли дальше и научились конденсировать поляритоны не только в основное состояние, но и в неосновное — состояние с большей энергией.
Этот эффект позволил решить давнюю проблему полностью оптических, логических элементов, заключающуюся в отключении оптического сигнала с помощью света, делая из логической единицы ноль, — добавил Денис Санников. — Фотоны, в отличие от электронов, не взаимодействуют друг с другом, и поэтому создание такого оптического логического преобразователя долгое время оставалось физическим и технологическим вызовом. Мы добились решения этой задачи благодаря использованию уникальных свойств „жидкого света“, объединяющего в себе свойства как фотонов, так и электронов, что позволило создать оптический поляритонный универсальный вентиль».
Исследование поддержано грантом РНФ «Оптические латеральные логические вентили на основе поляритонных конденсатов в перовскитных пленках».
Источник:
https://naked-science.ru/

Ученые Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ РАН), входящего в состав НИЦ «Курчатовский институт», экспериментально подтвердили новый метод увеличения эффективности фотопроводящих источников терагерцевого (ТГц) излучения. Они повысили в восемь раз повысили его мощность за счет линзы на основе сапфирового волокна. Об этом сообщили в пресс-центре института.
Генерация и детектирование ТГц-излучения активно применяют в медицине, системах связи и других важных сферах. ТГц-излучение, находящееся по диапазону между инфракрасным и микроволновым, поглощается биологическими тканями, хорошо проникает сквозь многие диэлектрические материалы (например, пластмассу, бумагу). Кроме того, ТГц-излучение безопасно для живых организмов, поэтому его можно применять в медицине как альтернативу рентгену, а также для проверки качества сельскохозяйственной продукции.
Ученые в последние годы создали варианты ТГц-излучателей и детекторов для разных областей применения. Однако общая проблема подобных устройств — низкая эффективность: только небольшая доля исходных импульсов преобразуется в излучение, большая часть энергии теряется в процессе. Поэтому повышение КПД этой аппаратуры является важной задачей.
Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» экспериментально подтвердили и модернизировали предложенный ранее метод увеличения эффективности источников терагерцевого излучения. На поверхность фотопроводящей антенны (ФПА), генерирующей ТГц-излучение, поместили оригинальную линзу, изготовленную из массива сапфировых волокон.
Ранее исследователи продемонстрировали, что такая линза создает значительный оптический контраст на границе с материалом ФПА. Сейчас же эксперимент показал, что за счет этого мощность ТГЦ-излучения, которое генерирует ФПА, возрастает в 8 раз.
«Мы подтвердили свои теоретические расчеты, причем для излучателей большой площади, которые используются для генерации интенсивных ТГц-импульсов. Это прежде всего спектрометры, которые широко применяют в разных областях — от научных исследований до сельского хозяйства, — рассказал Дмитрий Пономарев, инициатор работы, заместитель директора ИСВЧПЭ РАН. — Кроме того, мы усовершенствовали топологию самого излучателя таким образом, что расстояние между соседними электродами соответствует диаметру сапфирового волокна. Также мы предложили для размещения волокон новую оснастку, которая легко изготавливается аддитивными методами и позволяет расположить волокна с высокой точностью».
Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.

Подробнее:
https://наука.рф/

Физики совершили это открытие случайно во время изучения свойств золотых пленок, плавающих в растворе органических солей
Российские физики выяснили, что в растворах органических солей спонтанно могут возникать устойчивые структуры из металлических пленок под действием эффекта Казимира, взаимного притяжения между объектами в результате квантовых флуктуаций вакуума. Этот феномен можно применять для создания самособирающихся оптических резонаторов, сообщил в среду Центр научной коммуникации МФТИ.
"Взаимодействия между пленками приводят к формированию оптических резонаторов, "ящиков" для усиления света, который может делать что угодно - поглощать свет, перенаправлять, усиливать, захватывать. И чтобы его получить, нам не нужна никакая сложная нанофабрикация: просто берем раствор соли, золотые пленки, которые очень просто делаются, и они сами друг друга найдут и соберутся в "коробки" для света", - пояснил ведущий научный сотрудник МФТИ Денис Баранов, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.
Как отметил Баранов, физики совершили это открытие случайно во время изучения свойств золотых пленок, плавающих в растворе органических солей. В ходе этого эксперимента один из его участников, Баттулга Мукбат, обратил внимание на то, что в некоторых случаях пленки из металла прекращали хаотичное движение и сближались на очень небольшое расстояние и "застывали" друг над другом. В таком положении пленки могли существовать фактически неограниченное время, что заставило детально изучить их свойства.
Проведенные исследователями опыты и расчеты показывают, что подобное поведение пленок связано с двумя физическими феноменами, один из которых носит квантовую природу. Этот феномен, который физики называют эффектом Казимира в честь открывшего его нидерландского физика Хендрика Казимира, заставляет плоские объекты притягиваться друг к другу под действием квантовых флуктуаций вакуума.
В случае с золотыми пленками эффект Казимира заставляет их не слипаться в единую пластину, как это происходит с объектами в чистом вакууме, а сближаться на расстояние порядка 100-200 нанометров. Это связано с тем, что на поверхности пленок осаждаются положительно заряженные ионы из раствора солей, в результате чего электростатические взаимодействия между листами золота заставляют их отталкиваться друг от друга и образовывать устойчивые структуры, которые можно использовать в качестве оптических резонаторов.
Российские физики детально изучили процесс образования этих самособирающихся структур и подготовили теоретическое описание этого процесса, что в перспективе позволит управлять свойствами и структурой этих резонаторов, а также создавать более сложные устройства, состоящие не только из пленок золота, но и двумерных материалов. Их создание, а также разработка более сложных конструкций из трех или четырех слоев пленок, позволит использовать их не только для манипуляций светом, но и для управления химическими реакциями и решения других задач, подытожили исследователи.

Источник: https://nauka.tass.ru/

Физики МГУ вместе с коллегами впервые установили, что при охлаждении двумерных материалов, помещённых на диэлектрические метаповерхности, до 10 К можно в 100 раз усилить нелинейно-оптические эффекты. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Nanophotonics.
Нелинейно-оптические эффекты играют важную роль в области оптических коммуникаций для модуляции передаваемой информации, увеличения пропускной способности волоконной линии связи и дальности передачи. Они являются основой работы лазерных установок для генерации новых частот света. Однако по своей природе эти эффекты относительно слабы, и для достижения больших величин необходимо брать макроскопические среды. Это существенно ограничивает дальнейшее развитие технологий и препятствует созданию миниатюрных устройств. Обнаруженный способ усиления генерации второй оптической гармоники открывает новые перспективы развития этого направления.
«Нелинейная нанофотоника предоставляет много возможностей для создания миниатюрных наноустройств повышенной эффективности, которые нам ещё предстоит реализовать», — отметил доцент кафедры нанофотоники Александр Мусорин.
В опубликованной работе было предложено взять атомарно-тонкий слой материала с квадратичной нелинейной восприимчивостью, расположить его на метаповерхности и поместить в криогенную камеру для охлаждения до гелиевых температур. Метаповерхность — упорядоченная структура диэлектрических нанодисков, поддерживающих возбуждение высокодобротных оптических резонансов. Охлаждение уменьшает неупорядоченное тепловое движение электронов и повышает нелинейно-оптические свойства двумерного материала — монослоя дихалькогенидна переходного металла MoSe2. Показано, что, изменяя угол падения излучения, можно добиться совпадения частоты резонанса метаповерхности с резонансом нелинейно-оптического материала. Методом нелинейно-оптической микроспектроскопии проводилось измерение сигнала удвоенной оптической частоты в зависимости от частоты излучения возбуждающего фемтосекундного лазерного импульса. Наблюдалось 20-кратное усиление интенсивности второй оптической гармоники при комнатной температуре. Если исследуемую систему охладить до 10 К, то в сравнении с монослоем без наноструктуры усиление достигает 100 раз.
Нелинейная нанофотоника — стремительно развивающаяся в последнее десятилетие область исследований, как в России, так и в мире. Открытия, сделанные в этой сфере, могут быть применены в оптоэлектронике, разработке сенсоров или для создания более компактных лазеров.
«Проведённый эксперимент можно смело отнести к научным работам мирового уровня. Это подтверждается тем, что результаты исследования опубликованы в одном из наиболее престижных рецензируемых журналов первого квартиля по оптике и фотонике Nanophotonics. Данные, полученные в ходе этой научной работы, могут быть использованы при создании источников излучения на фотонном чипе. Всё это стало возможным благодаря сплочёности коллектива, поддержке Программы развития МГУ и Российского научного фонда», — рассказал заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ Андрей Федянин.
Работа является результатом международной кооперации трёх университетов: МГУ, Института исследований и проектирования материалов (Сингапур) и Технологического университета Сиднея (Австралия). Предсказание эффектов, численное моделирование и экспериментальное подтверждение были сделаны в Московском университете, а изготовление образца — зона ответственности зарубежных коллег.
Источник: https://new.ras.ru/

Как сообщили в пресс-службе Минобрнауки, материал может быть полезен для производства водоотталкивающих покрытий и приборов, работающих в условиях высокой влажности
Специалисты Удмуртского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН разработали новый, более эффективный способ придания гидрофобности (устойчивости к взаимодействию с водной средой) лазерно-индуцированному графену. Как сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ, материал может быть полезен для производства водоотталкивающих покрытий и приборов, работающих в условиях высокой влажности.
"Требовалось придумать более совершенный способ сделать лазерно-индуцированный графен гидрофобным. Такой способ был найден учеными Института механики УдмФИЦ УрО РАН. Он заключается в том, что синтезированный на воздухе лазерно-индуцированный графен нужно затем поместить в вакуумную камеру и выдержать при пониженном давлении определенное время", - отметили в пресс-службе.
Графен - наноразмерная форма углерода - имеет широкий потенциал для применения в науке и технике. Однако ввиду его высокой стоимости химики создают и совершенствуют графеноподобные материалы. Перспективным в этом плане считается лазерно-индуцированный графен, получаемый методом лазерного пиролиза органических соединений, имеющих в своей химической структуре углеродные кольца.
Однако лазерно-индуцированный графен часто проявляет сильные гидрофильные свойства, хорошо смачивается водой. Между тем, промышленности нужны водоотталкивающие и противообледеняющие покрытия, гидрофобные детали датчиков, находящихся в условиях повышенной влажности, а также опреснителей воды. Эту проблему, как отмечается, помогает решить новая технология коллектива Института механики УдмФИЦ.
Источник:
https://nauka.tass.ru/

Физики нашли способ увеличить квантовую эффективность однофотонного источника на основе плазмонного резонанса. Они разработали многослойную структуру на полупроводниковой подложке и проверили, как число и спектр излучаемых фотонов зависят от внешнего электрического поля. Результаты экспериментов опубликованы в статье для журнала Nature Photonics.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке Фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который был создан для формирования экспертного сообщества в области будущих технологий и развития международных научных коммуникаций
Одна из главных технологических проблем увеличения размерности квантовых вычислителей на фотонах — это однофотонные источники. Идеальный источник должен излучать как можно больше одиночных и одинаковых фотонов в момент времени. А одинаковость фотонов означает, что они должны иметь одинаковые длины волн, поляризацию и другие характеристики. Добиться высоких значений сразу всех параметров очень сложно, как и создать несколько одинаковых источников для масштабирования системы.
Источники фотонов делают на основе нелинейных эффектов в объемных кристаллах, используют квантовые точки, разные метаструктуры и стараются интегрировать источники на полупроводниковый чип, иногда даже закручивая их в кольца.
Научная группа под руководством Вэй Бо Гао (Weibo Gao) из Центра квантовых технологий Сингапура показала, что для излучения одиночных фотонов можно использовать плазмонную структуру на подложке из полупроводника. Авторам удалось не только экспериментально создать и протестировать такую структуру, но и получилось улучшить спектр ее излучения приложением дополнительного напряжения.
Итоговый спектр фотонного источника, то есть распределение излучения по длинам волн, напрямую влияет на точность вычислений, в которых эти фотоны будут задействованы. Поэтому часто для получения узкого спектра используют наноструктуры, ограниченные во всех направлениях — квантовые точки. Обычно они находятся внутри столбиков, которые очень точно выращивают на полупроводниковых подложках. С другой стороны, в случае двумерного материала достаточно создать какую-то локализацию на его поверхности, чтобы рассматривать ее как источник фотонов.
Авторы использовали металлический массив наноямок, на котором размещался еще слой диэлектрика из гексагонального нитрида бора, а сверху все это покрывал монослой селенида вольфрама. Вся структура была собрана на подложке из кремния с диоксидом.
При облучении образцов постоянным лазерным излучением на длине волны 726 нанометров двумерный селенид вольфрама начинает переизлучать фотоны. Наличие структуры из золота под ним усиливает это излучение за счет плазмонного резонанса — на этой же длине волны накачки в металлическом слое возникают колебания кристаллической решетки, которые усиливают свечение селенида вольфрама в определенных точках структуры. Сканирование поверхности показало, что большее усиление заметно в узлах структуры — именно там возникает самая удачная конфигурация для плазмонного резонанса. Интенсивность сигнала в резонансных областях оказалась в 21 раз больше, чем в нерезонансных.
Для проверки одинаковости (неразличимости) фотонов, ученые проверяли, насколько хорошо могут интерферировать между собой фотоны, которые излучает источник. Для этого один фотон задерживают, отправляя по более длинному пути, так, чтобы он встретился со следующим за ним фотоном. Встречаются фотоны на светоделителе и, в случае неразличимости, улетают вдвоем в один из выходов светоделителя. На каждом выходе стоит детектор и регистрирует приходящие фотоны.
Функция корреляции показывает, насколько часто срабатывают сразу два детектора — если они перестали кликать одновременно, значит фотоны проинтерферировали и улетают либо в один детектор, либо в другой, но не в оба сразу. И на графике функции от времени можно видеть провал. В идеале он должен опускаться в ноль, но в реальных экспериментах этого не происходит, и поэтому физики характеризуют качество фотонов тем, насколько низко смог опуститься этот график. Авторы получили падение корреляционной функции от 1 до 0,18. Если минимальное значение оказывается меньше 0,5, то можно говорить о том, что сигнал источника действительно однофотонный, как и получилось в эксперименте.
Одна из причин плохой неразличимости связана со спектром излучаемых фотонов. В авторской схеме энергия света, которым облучают структуру, превращается не только в энергию излучаемых одиночных фотонов, но и передается кристаллической решетке, которая начинается колебаться и меняет спектр излучения. Чтобы этого избежать, авторы попробовали прикладывать напряжение ко всей структуре. Наличие внешнего электрического поля позволяло смещать зарядовое облако, возникающие из-за колебаний, подальше от области образования одиночных фотонов.
Физики протестировали разные напряжение по модулю и по знаку, и заметили, что отрицательные напряжения порядка одного вольта улучшают картину интерференции. При этом интенсивность излучения возрастает, а спектр избавляется от широкого хвоста, который возникал из-за нерадиационной составляющей.
Авторы отмечают, что помимо описанного применения прием с перераспределением зарядов с помощью электрического поля можно применять и к другим слоистым структурам для управления транспортом носителей заряда.
Эффект плазмонного усиления используют не только для генерации одиночных фотонов. Например, его применяют для увеличения эффективности солнечный батарей, создания лазеров и для изменения свойств графена.
Источник:
https://nplus1.ru/

Феномен квантовой запутанности необходим для создания эффективных квантовых вычислительных машин. Ученые из Дании продемонстрировали новый, оригинальный метод создания квантовой запутанности при помощи квантовых точек. Его преимущество — в использовании сверхнизких уровней энергопотребления и возможности применения в масштабируемых квантовых технологиях.
Наличие парадоксального состояния квантовой запутанности, при котором измерение свойств одного квантового бита информации влияет на другой, связанный с ним, проверяется неравенством Белла. Теорема, предложенная Джоном Беллом в 1964 году, позволяет выразить математически разницу между классическим и квантовым поведением. В квантовом мире частицы могут проявлять более сильные корреляции, чем возможно в классическом мире. Неравенство Белла устанавливает пороговое значение, за пределом которого природа корреляции считается квантовой, что указывает на присутствие феномена квантовой запутанности.
Физики из Института Нильса Бора применили неравенство Белла к результатам своего эксперимента, основанного на квантовых точках и волноводах, сообщает Phys.org. Квантовые точки — наноразмерные структуры, разработанные для улавливания нейтральных квазичастиц экситонов. Пойманные экситоны проявляют квантированные энергетические состояния, то есть ведут себя как искусственные атомы, но интегрированные в чип. Кроме того, их энергетический уровень можно настроить.
Системы квантовых точек могут служить генераторами излучения, то есть испускать отдельные фотоны. В определенных условиях эти фотоны могут становиться запутанными. Для повышения эффективности, когерентности и стабильности фотонов, исходящих от квантовых точек, исследователи соединили их с фотонно-кристаллическим волноводом. Волноводы позволяют контролировать и управлять направлением и длиной волны света, повышая взаимодействие света и вещества. Однако, сопряжение между волноводом и квантовыми точками вызывает определенные трудности.
«Для улучшения взаимодействия света и вещества мы изготовили фотонно-кристаллический волновод, который обеспечивает сильное удержание квантовой точки, — объяснил Шикай Лю. — Это привело к высокому коэффициенту передачи оптической мощности света в волноводе (более 90%), а эффект Парселла достиг 16 благодаря замедлению света в наноструктуре и повышению времени его взаимодействия с квантовой точкой».
Проще говоря, эмиссия света из квантовых генераторов излучения повысилась за счет того, что они были помещены в благоприятную среду.
При помощи интерферометров ученые провели тест на неравенство Белла и получили значение, превышающее пороговое. Результат подтвердил наличие запутанного состояния, возникшего в результате разработанного датскими физиками метода.
Одним из преимуществ этого метода является энергетическая эффективность. На создание состояния запутанности ученые израсходовали в тысячу раз меньше электроэнергии, чем традиционные однофотонные источники.
Феномен квантовой запутанности позволяет двум фотонам общаться быстрее скорости света, вне зависимости от разделяющего их расстояния. Ученые из Академии наук Китая продемонстрировали, что однажды это явление можно будет использовать для создания квантовых моторов и батарей, которые пригодятся для питания квантовых компьютеров следующего поколения.
Источник:
https://hightech.plus/