Каким образом квантовые точки создают одиночные фотоны?

Сначала давайте разберёмся, как устроены квантовые точки, используемые в источниках одиночных фотонов. Наилучшими параметрами сейчас обладают источники на основе квантовых точек, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии - формирования функциональных материалов напылением в сверхвысоком вакууме, т.е. в прямом смысле слова создания структуры по одиночным атомным слоям.

Для источников фотонов на квантовых точках используют, по сути, те же материалы, что и для обычных полупроводниковых лазерных диодов – структуры из арсенида галия (GaAs) и арсенид индия (InAs).

Представим себе ситуацию, когда на плоской кристаллической подложке из GaAs эпитаксией выращиваются слои InAs. Эти материалы немного отличаются своей кристаллической структурой – постоянная решётки (расстояние между атомами в кристалле) отличается примерно на 7%. Из-за этого при росте накапливаются механические напряжения и в какой-то момент появляются обособленные островки InAs размерами около 20 нм в плоскости и 2-5 нм в толщину. Эти островки представляют собой потенциальную яму для носителей заряда в полупроводнике и благодаря малым размерам имеют чётко выраженную дискретную структуру энергетических уровней. Излучение фотонов происходит при переходах системы между этими дискретными уровнями.

Естественно, чтобы квантовая точка высветилась, нужно её сначала перевести в возбуждённое состояние. Это можно сделать, как электрически при пропускании тока через структуру (как в обычном лазерном диоде), так и оптически, с помощью лазерного возбуждения.

К сожалению, в настоящий момент источники хорошего качества требуют именно оптического возбуждения, причём желательно резонансного, т.е. длина волны лазера должна быть подобрана под энергию перехода в точке и в точности совпадает с длиной волны излучаемого фотона, что, конечно же, усложняет жизнь, потому что приходится идти на ухищрения, чтобы отделить излучение точки от лазерного света накачки.

Ещё одной существенной технической проблемой является сбор излучения. Большой показатель преломления GaAs сильно затрудняет выведение света из структуры. Как правило, сейчас все источники фотонов имеют вокруг квантовой точки дополнительную структуру из зеркал, образующих оптический резонатор, или волновода, что позволяет заставить точку излучать преимущественно в определённом направлении. Типичные однофотонные источники представляют собой «столбик», в котором сверху и снизу от точки расположены зеркала, образованные слоями полупроводника с разными показателями преломления и специально подобранными толщинами. Эти слои образуют резонатор, а в поперечном направлении столбик размером в несколько мкм образует для излучения оптический волновод. Вся эта конструкция, как правило, дополняется управляющими электродами, приложение напряжения к которым позволяет немного сдвигать уровни энергии перехода в точке, тем самым подстраивая частоту излучения точки под резонатор.

Тепловые колебания кристаллической решётки приводят к нежелательному уширению линии излучения точки, поэтому источники хорошего качества требуют для работы температур жидкого гелия (4 К). Из-за этого чип с изготовленными структурами приходится помещать в гелиевый криостат, откуда излучение выводится через окно и собирается линзой, или же линза (объектив микроскопа) помещается прямо в криостат, а наружу выводится уже излучение, заведённое в оптическое волокно.

Если мы говорим об использовании источников фотонов в системах оптических квантовых вычислений, то нужно стремиться к интеграции их на чип вместе с интегральной оптикой, осуществляющей преобразование квантовых состояний и детекторами, используемыми для считывания информации.

Такие работы ведутся, например, есть прототипы источников, помещённые в фотонно-кристаллические волноводы, используемые для сбора излучения. Но в любом случае, здесь ещё предстоит большая работа.

Самой сложной задачей является получение неразличимых, т.е. одинаковых по спектру и форме импульса, фотонов от разных квантовых точек. В настоящий момент удовлетворительного решения этой задачи нет, и приходится для получения многофотонных состояний, нужных для квантовых вычислений, производить демультиплексирование временной последовательности импульсов от одного источника, «раскидывая» их по различным волноводам и задерживая друг относительно друга для синхронизации. Естественно, это приводит к дополнительным потерям и сильно уменьшает доступную тактовую частоту работы системы.

Поэтому создание технологии, позволяющей добиться хорошего качества многофотонной интерференции фотонов от разных источников так же, как и интеграция на оптический чип – важнейшая задача на пути к большим оптическим квантовым процессорам.

Более детально о современном состоянии технологии однофотонных источников на основе эпитаксиальных квантовых точек можно почитать в обзоре [P. Senellart et al. Nature nanotechnology 12, 1026 (2017) https://www.nature.com/articles/nnano.2017.218].