Секрет нашего современного Интернета заключается в способности данных оставаться нетронутыми при перемещении на большие расстояния, и лучший способ добиться этого - использовать фотоны. Фотоны - это отдельные частицы ("кванты") света. В отличие от других квантовых частиц, фотоны очень слабо взаимодействуют с окружающей средой. Такая стабильность также делает их чрезвычайно привлекательными для передачи квантовой информации на большие расстояния, что требует поддержания хрупкого состояния запутанности в течение длительного периода времени. Такие фотоны могут генерироваться различными способами. Один из возможных методов заключается в использовании несовершенств атомного масштаба (квантовых дефектов) в кристаллах для генерации одиночных фотонов в четко определенном квантовом состоянии.

Десятилетия оптимизации привели к созданию волоконно-оптических кабелей, которые могут передавать фотоны с чрезвычайно низкими потерями. Однако такая передача с низкими потерями работает только для света в узком диапазоне длин волн, известном как "телекоммуникационный диапазон длин волн". Выявление квантовых дефектов, которые генерируют фотоны с такими длинами волн, оказалось сложной задачей, но финансирование Министерства энергетики США и Национального научного фонда (NSF) позволило исследователям из инженерного колледжа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре понять, почему это происходит. Они описывают свои выводы в статье "Рациональное проектирование эффективных квантовых излучателей на основе дефектов", опубликованной в журнале Компания APL Photonics.

"Атомы постоянно вибрируют, и эти колебания могут истощать энергию источника света", - говорит профессор материаловедения Калифорнийского университета Крис Ван де Валле. "В результате, вместо того чтобы испускать фотоны, дефект может заставить атомы вибрировать, снижая эффективность излучения света". Группа Ван де Валле разработала теоретические модели, отражающие роль колебаний атомов в процессе испускания фотонов, и изучила роль различных свойств дефектов в определении степени эффективности.

Их работа объясняет, почему эффективность однофотонного излучения резко снижается, когда длина волны излучения переходит от длин волн видимого света (от фиолетового до красного) к инфракрасным длинам волн в телекоммуникационном диапазоне. Модель также позволяет исследователям определить методы создания более ярких и эффективных излучателей.

"Тщательный выбор основного материала и разработка вибрационных свойств на атомном уровне - это два многообещающих способа преодоления низкой эффективности", - сказал Марк Туриански, научный сотрудник лаборатории Ван де Валле, научный сотрудник квантового литейного завода NSF в Санта-Барбаре и ведущий исследователь проекта.

Другое решение предполагает подключение к фотонному резонатору - подход, основанный на опыте двух других сотрудников Quantum Foundry: профессора компьютерной инженерии Галана Муди и Камьяра Парто, аспиранта лаборатории Муди.

Команда надеется, что их модель и выводы, которые она дает, окажутся полезными при разработке новых квантовых излучателей, которые будут питать квантовые сети будущего.