Исследователи также разработали устройство, которое могло бы послужить новым типом строительного блока для квантовых технологий, которые, как ожидается, в будущем найдут множество применений в таких областях, как вычислительная техника, связь и разработка сенсоров.

Исследователи опубликовали эти результаты 1 июня в журнале Природная нанотехнология.

"Это новая платформа атомного масштаба, использующая то, что научное сообщество называет "оптомеханикой", в которой световые и механические движения неразрывно связаны друг с другом", - сказал старший автор Мо Ли, профессор электротехники, вычислительной техники и физики Калифорнийского университета. "Это обеспечивает новый тип задействованного квантового эффекта, который может быть использован для управления одиночными фотонами, проходящими через интегральные оптические схемы, для многих применений".

Ранее команда изучала квазичастицу квантового уровня, называемую "экситоном". Информация может быть закодирована в экситон и затем высвобождена в виде фотона - крошечной частицы энергии, которая считается квантовой единицей света. Квантовые свойства каждого испускаемого фотона - такие как поляризация фотона, длина волны и/или время излучения - могут функционировать как квантовый бит информации, или "кубит", для квантовых вычислений и коммуникации. И поскольку этот кубит переносится фотоном, он перемещается со скоростью света.

"Взгляд с высоты птичьего полета на это исследование заключается в том, что для того, чтобы реально создать квантовую сеть, нам нужны способы надежного создания, эксплуатации, хранения и передачи кубитов", - сказала ведущий автор Адина Рипин, докторантка физического факультета Калифорнийского университета. "Фотоны являются естественным выбором для передачи этой квантовой информации, поскольку оптические волокна позволяют нам переносить фотоны на большие расстояния с высокими скоростями, с низкими потерями энергии или информации".

Исследователи работали с экситонами, чтобы создать однофотонный излучатель, или "квантовый излучатель", который является критически важным компонентом для квантовых технологий, основанных на свете и оптике. Чтобы сделать это, команда поместила два тонких слоя атомов вольфрама и селена, известных как диселенид вольфрама, друг на друга.

Когда исследователи применили точный импульс лазерного излучения, они отбили электрон атома диселенида вольфрама от ядра, что привело к образованию экситонной квазичастицы. Каждый экситон состоял из отрицательно заряженного электрона на одном слое диселенида вольфрама и положительно заряженной дырки там, где раньше находился электрон, на другом слое. И поскольку противоположные заряды притягивают друг друга, электрон и дырка в каждом экситоне были плотно связаны друг с другом. Через короткое мгновение, когда электрон опустился обратно в дырку, которую он ранее занимал, экситон испустил единственный фотон, закодированный квантовой информацией, создавая квантовый излучатель, который команда стремилась создать.

Но команда обнаружила, что атомы диселенида вольфрама испускают квазичастицы другого типа, известные как фононы. Фононы - это продукт атомной вибрации, которая подобна дыханию. Здесь два атомных слоя диселенида вольфрама действовали как крошечные барабанные головки, вибрирующие относительно друг друга, что генерировало фононы. Это первый случай, когда фононы наблюдались в однофотонном излучателе в двумерной атомной системе такого типа.

Когда исследователи измерили спектр излучаемого света, они заметили несколько равномерно расположенных пиков. Каждый отдельный фотон, испускаемый экситоном, был связан с одним или несколькими фононами. Это в чем-то сродни подъему по квантовой энергетической лестнице по одной ступеньке за раз, и на спектре эти энергетические всплески были визуально представлены равноудаленными пиками.

"Фонон - это естественная квантовая вибрация материала диселенида вольфрама, и он приводит к вертикальному растяжению экситонной пары электрон-дырка, расположенной в двух слоях", - сказал Ли, который также является членом руководящего комитета QuantumX Калифорнийского университета и преподавателем Институт нанотехнологических систем. "Это оказывает удивительно сильное влияние на оптические свойства фотона, испускаемого экситоном, о котором ранее никогда не сообщалось".

Исследователям было любопытно, смогут ли они использовать фононы для квантовой технологии. Они приложили электрическое напряжение и увидели, что могут изменять энергию взаимодействия связанных фононов и испускаемых фотонов. Эти вариации были измеримы и управляемы способами, имеющими отношение к кодированию квантовой информации в однофотонное излучение. И все это было достигнуто в одной интегрированной системе - устройстве, состоящем лишь из небольшого числа атомов.

Далее команда планирует построить волновод - волокна на чипе, которые улавливают излучение одиночных фотонов и направляют их туда, куда им нужно, - а затем расширить систему. Вместо того чтобы управлять только одним квантовым излучателем одновременно, команда хочет иметь возможность управлять несколькими излучателями и связанными с ними фононными состояниями. Это позволит квантовым излучателям "разговаривать" друг с другом, что является шагом на пути к созданию прочной базы для квантовых схем.

"Наша главная цель - создать интегрированную систему с квантовыми излучателями, которая может использовать одиночные фотоны, проходящие по оптическим цепям, и недавно открытые фононы для выполнения квантовых вычислений и квантового зондирования", - сказал Ли. "Этот прогресс, безусловно, внесет свой вклад в эти усилия и поможет дальнейшему развитию квантовых вычислений, которые в будущем будут иметь множество применений".