По всему миру специалисты работают над внедрением квантовых информационных технологий. Один из важных путей связан со светом: забегая вперед, можно сказать, что одиночные световые пакеты, также известные как световые кванты или фотоны, могут передавать данные, которые одновременно являются закодированными и эффективно защищенными от прослушивания. С этой целью требуются новые источники фотонов, которые испускают отдельные кванты света контролируемым образом - и по требованию. Только недавно было обнаружено, что кремний может содержать источники однофотонов со свойствами, подходящими для квантовой связи. Однако до сих пор никто не знал, как интегрировать источники в современные фотонные схемы. Впервые команда, возглавляемая Центром Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), представила соответствующую технологию производства с использованием кремниевых нанопилляров: метод химического травления с последующей ионной бомбардировкой.
"Кремниевые и однофотонные источники в области телекоммуникаций долгое время были недостающим звеном в ускорении развития квантовой связи по оптическим волокнам. Теперь мы создали необходимые предпосылки для этого", - объясняет доктор Йондер Беренсен из Института физики ионных пучков и исследований материалов HZDR, который руководил текущим исследованием. Хотя однофотонные источники были изготовлены из таких материалов, как алмазы, только источники на основе кремния генерируют частицы света с нужной длиной волны для распространения в оптических волокнах - значительное преимущество для практических целей.
Исследователи достигли этого технического прорыва, выбрав метод мокрого травления, известный как MacEtch (химическое травление с помощью металла), вместо традиционных методов сухого травления для обработки кремния на чипе. Эти стандартные методы, которые позволяют создавать кремниевые фотонные структуры, используют высокореактивные ионы. Эти ионы индуцируют светоизлучающие дефекты, вызванные радиационным повреждением кремния. Однако они распределены случайным образом и накладывают желаемый оптический сигнал на шум. С другой стороны, химическое травление с помощью металла не создает этих дефектов - вместо этого материал вытравливается химическим путем под своего рода металлической маской.
Цель: источники одиночных фотонов, совместимые с волоконно-оптической сетью
Используя метод Макетча, исследователи первоначально изготовили простейшую форму потенциальной структуры, направляющей световые волны: кремниевые нанопилляры на чипе. Затем они бомбардировали готовые нанопилляры ионами углерода, точно так же, как это было бы с массивным кремниевым блоком, и таким образом генерировали источники фотонов, встроенные в столбы. Использование новой технологии травления означает, что размер, расстояние и поверхностную плотность нанопилляров можно точно контролировать и регулировать, чтобы они были совместимы с современными фотонными схемами. На квадратный миллиметр чипа приходится тысячи кремниевых нанопилляров, которые проводят и связывают свет от источников, направляя его вертикально через столбы.
Исследователи изменили диаметр столбов, потому что "мы надеялись, что это будет означать, что мы сможем создавать единичные дефекты на тонких столбах и фактически генерировать один источник фотонов на каждый столб", - объясняет Беренсен. "В первый раз это сработало не совсем идеально. Для сравнения, даже для самых тонких столбов доза нашей углеродной бомбардировки была слишком высока. Но теперь это всего лишь короткий шаг к источникам одиночных фотонов".
Шаг, над которым команда уже интенсивно работает, потому что новая технология также развязала нечто вроде гонки за будущими приложениями. "Моя мечта - объединить все элементарные строительные блоки, от одного источника фотонов через фотонные элементы до одного фотонного детектора, на одном чипе, а затем соединить множество чипов через коммерческие оптические волокна, чтобы сформировать модульную квантовую сеть", - говорит Беренсен.
Комментарии