Учёные разработали новый метод генерации многофотонных состояний с помощью квантовых точек

Новый подход использует чисто оптическую технику стимулированного двухфотонного возбуждения для генерации потоков фотонов в различных состояниях поляризации непосредственно из квантовой точки без активных переключающих компонентов. Автор: Университет Инсбрука

Группа исследователей в области фотоники под руководством Грегора Вейса из Университета Инсбрука разработала новый метод генерации многофотонных состояний из квантовых точек, который преодолевает ограничения традиционных подходов. Это открытие имеет непосредственное применение в протоколах безопасного квантового распределения ключей, где может обеспечить одновременную защищённую связь с несколькими сторонами.

Квантовые точки — полупроводниковые наноструктуры, способные излучать отдельные фотоны по запросу — считаются одними из самых перспективных источников для фотонных квантовых вычислений. Однако каждая квантовая точка немного отличается и может излучать фотоны слегка разного цвета. Это означает, что для создания многофотонных состояний нельзя использовать несколько квантовых точек.

Обычно исследователи используют одну квантовую точку и мультиплексируют излучение в разные пространственные и временные режимы с помощью быстрого электрооптического модулятора. Технологическая сложность заключается в том, что более быстрые электрооптические модуляторы дороги и часто требуют очень сложной инженерии. Кроме того, они могут быть не очень эффективными, что вносит нежелательные потери в систему.

Экспериментальная установка. Автор: Университет Инсбрука

Международная исследовательская группа под руководством Викаса Ремеша из Фотонной группы кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука с участием учёных из Кембриджского университета, Университета Йоханнеса Кеплера в Линце и других учреждений продемонстрировала элегантное решение, обходящее эти ограничения.

Их подход использует чисто оптическую технику стимулированного двухфотонного возбуждения для генерации потоков фотонов в различных состояниях поляризации непосредственно из квантовой точки без необходимости в активных переключающих компонентах. Команда продемонстрировала свою технику, создав высококачественные двухфотонные состояния с отличными однофотонными свойствами.

Исследование опубликовано в журнале npj Quantum Information.

«Метод работает путём первоначального возбуждения квантовой точки точно синхронизированными лазерными импульсами для создания биэкситонного состояния, за которым следуют поляризационно-контролируемые стимулирующие импульсы, детерминированно запускающие излучение фотонов в желаемой поляризации», — объясняют Юсуф Карли и Икер Авила Аренас, первые авторы исследования.

«Для меня это был фантастический опыт — работать в фотонной группе над моей магистерской диссертацией», — говорит Икер Авила Аренас, который был частью когорты 2022–2024 годов совместной магистерской программы Erasmus Mundus по фотонике для безопасности, надёжности и защиты и провёл шесть месяцев в Инсбруке.

«Особая элегантность этого подхода заключается в том, что мы перенесли сложность с дорогих, вызывающих потери электронных компонентов после излучения одиночных фотонов на оптическую стадию возбуждения. Это значительный шаг вперёд в повышении практичности квантовых точек для реальных приложений», — отмечает Ремеш, ведущий исследователь проекта.

В перспективе учёные планируют расширить технику для генерации фотонов с произвольными состояниями линейной поляризации с использованием специально разработанных квантовых точек.

«Исследование имеет непосредственное применение в протоколах безопасного квантового распределения ключей, где несколько независимых потоков фотонов могут обеспечить одновременную защищённую связь с разными сторонами, а также в многофотонных интерференционных экспериментах, которые очень важны для проверки даже фундаментальных принципов квантовой механики», — объясняет Вейс, руководитель фотонной исследовательской группы в Инсбруке.

Исследование представляет собой совместную работу с участием экспертов в области квантовой оптики, физики полупроводников и фотонной инженерии.

Дополнительная информация: Yusuf Karli et al, Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot, npj Quantum Information (2025). DOI: 10.1038/s41534-025-01083-0

Источник: University of Innsbruck