Ученые совершили прорыв в области квантовых технологий, впервые добившись излучения одиночных фотонов от принципиально нового типа квантового материала – нанолент. Это открытие, сделанное в результате совместной работы исследователей из Университета штата Монтана (MSU), Колумбийского университета и Исследовательского института Honda (HRI), открывает путь к созданию управляемых источников света для квантовых технологий будущего. Результаты этого исследования опубликованы в 2024 году в журнале Nature Communications.
Наноленты представляют собой ультратонкие, двумерные материалы лентообразной формы, обладающие уникальными свойствами. Эти структуры, толщиной всего в один атом и шириной в несколько десятков атомов, в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Двумерная природа нанолент позволяет им сохранять характеристики трехмерных аналогов, но при этом демонстрировать усиленные свойства благодаря своей атомной толщине. В данном случае, таким усиленным свойством стала способность излучать одиночные фотоны.
Исследование стало результатом плодотворного сотрудничества между несколькими научными учреждениями. Исследовательский институт Honda под руководством старшего научного сотрудника Аветика Арутюняна отвечал за выращивание нанолент. Специалисты Колумбийского университета под руководством Джеймса Шука разработали особые поверхности для стимуляции излучения фотонов и растягивали наноленты над этими поверхностями. Основная часть работы, включая манипуляции, тестирование, анализ и описание свойств нанолент, в частности, их способности к излучению одиночных фотонов, была проведена в Университете штата Монтана. В этих исследованиях ключевую роль сыграл доцент кафедры физики MSU Николас Борис, а также аспирант MSU Сэмюэль Висс, ставший соавтором публикации в Nature Communications. Платформа MonArk NSF Quantum Foundry, партнерство между MSU и Университетом Арканзаса, предоставила передовые инструменты для производства и измерения двумерных материалов, что позволило ускорить обработку материалов, измерение свойств и тестирование производительности.
Наблюдение одиночного фотонного излучения в нанолентах стало значительным шагом вперед. Ранее, эффект одиночного фотонного излучения был известен для больших листов двумерных материалов, но в рамках этого проекта он был впервые продемонстрирован в гораздо меньших, ленточных структурах. Новый подход основан на использовании квантовых нанолент с прецизионным контролем ширины. Полученные результаты подтверждают, что наноленты могут служить в качестве источника одиночных фотонов.
Особое значение открытие излучения одиночных фотонов нанолентами приобретает в контексте развития безопасной квантовой коммуникации. Ученые успешно закодировали информацию на потоки отдельных фотонов, излучаемых нанолентами. Эти фотонные потоки могут быть использованы для создания и распространения зашифрованной информации. Квантовая коммуникация, использующая такие наноленты, отличается высоким уровнем безопасности, поскольку любая попытка несанкционированного доступа приведет к внесению обнаруживаемых ошибок за счет вмешательства в квантовые состояния.
В настоящее время исследовательская группа продолжает углубленное изучение и дальнейшее развитие технологии нанолент. В фокусе внимания – фундаментальные аспекты физики и взаимодействия в двумерных полупроводниках, что открывает перспективы для создания новых электронных устройств и приложений. Исследователи стремятся понять фундаментальные квантовые пределы нанолент, а также изучают возможности дальнейшего уменьшения размеров лент. Целью является получение более глубокого понимания механизмов генерации одиночных фотонов с использованием двумерных наноленточных структур.
Помимо фундаментальных исследований, команда ученых также занимается решением промышленных задач, связанных с практическим применением этих материалов. В частности, ведется разработка электрического источника, аналогичного батарее, который бы выполнял функцию фотон-активирующего переключателя, позволяя контролировать излучение фотонов, которое в настоящее время происходит быстро и непредсказуемо. Также планируется тестирование производительности нанолент в реальных квантовых технологических платформах. Исследования проводятся при ультранизких температурах, близких к абсолютному нулю.
Прорыв, достигнутый учеными, открывает новые горизонты для развития квантовых технологий и, в частности, безопасной квантовой коммуникации.
Изображение носит иллюстративный характер
Наноленты представляют собой ультратонкие, двумерные материалы лентообразной формы, обладающие уникальными свойствами. Эти структуры, толщиной всего в один атом и шириной в несколько десятков атомов, в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Двумерная природа нанолент позволяет им сохранять характеристики трехмерных аналогов, но при этом демонстрировать усиленные свойства благодаря своей атомной толщине. В данном случае, таким усиленным свойством стала способность излучать одиночные фотоны.
Исследование стало результатом плодотворного сотрудничества между несколькими научными учреждениями. Исследовательский институт Honda под руководством старшего научного сотрудника Аветика Арутюняна отвечал за выращивание нанолент. Специалисты Колумбийского университета под руководством Джеймса Шука разработали особые поверхности для стимуляции излучения фотонов и растягивали наноленты над этими поверхностями. Основная часть работы, включая манипуляции, тестирование, анализ и описание свойств нанолент, в частности, их способности к излучению одиночных фотонов, была проведена в Университете штата Монтана. В этих исследованиях ключевую роль сыграл доцент кафедры физики MSU Николас Борис, а также аспирант MSU Сэмюэль Висс, ставший соавтором публикации в Nature Communications. Платформа MonArk NSF Quantum Foundry, партнерство между MSU и Университетом Арканзаса, предоставила передовые инструменты для производства и измерения двумерных материалов, что позволило ускорить обработку материалов, измерение свойств и тестирование производительности.
Наблюдение одиночного фотонного излучения в нанолентах стало значительным шагом вперед. Ранее, эффект одиночного фотонного излучения был известен для больших листов двумерных материалов, но в рамках этого проекта он был впервые продемонстрирован в гораздо меньших, ленточных структурах. Новый подход основан на использовании квантовых нанолент с прецизионным контролем ширины. Полученные результаты подтверждают, что наноленты могут служить в качестве источника одиночных фотонов.
Особое значение открытие излучения одиночных фотонов нанолентами приобретает в контексте развития безопасной квантовой коммуникации. Ученые успешно закодировали информацию на потоки отдельных фотонов, излучаемых нанолентами. Эти фотонные потоки могут быть использованы для создания и распространения зашифрованной информации. Квантовая коммуникация, использующая такие наноленты, отличается высоким уровнем безопасности, поскольку любая попытка несанкционированного доступа приведет к внесению обнаруживаемых ошибок за счет вмешательства в квантовые состояния.
В настоящее время исследовательская группа продолжает углубленное изучение и дальнейшее развитие технологии нанолент. В фокусе внимания – фундаментальные аспекты физики и взаимодействия в двумерных полупроводниках, что открывает перспективы для создания новых электронных устройств и приложений. Исследователи стремятся понять фундаментальные квантовые пределы нанолент, а также изучают возможности дальнейшего уменьшения размеров лент. Целью является получение более глубокого понимания механизмов генерации одиночных фотонов с использованием двумерных наноленточных структур.
Помимо фундаментальных исследований, команда ученых также занимается решением промышленных задач, связанных с практическим применением этих материалов. В частности, ведется разработка электрического источника, аналогичного батарее, который бы выполнял функцию фотон-активирующего переключателя, позволяя контролировать излучение фотонов, которое в настоящее время происходит быстро и непредсказуемо. Также планируется тестирование производительности нанолент в реальных квантовых технологических платформах. Исследования проводятся при ультранизких температурах, близких к абсолютному нулю.
Прорыв, достигнутый учеными, открывает новые горизонты для развития квантовых технологий и, в частности, безопасной квантовой коммуникации.
