Ученые КНИТУ-КАИ разработали новый квантовый источник света

Источник света на основе оптического волокна поможет продвинуть квантовые технологии. Речь идет о создании малогабаритных интегральных источников бифотонов.

Группа ученых из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ совместно с коллегами с физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработали и экспериментально продемонстрировали новый метод генерации двухфотонных состояний света в особом типе оптических волноводов — фотонно-кристаллическом волокне.

Особенностью предложенного метода является возможность создавать двухфотонный свет (бифотоны, фотонные пары) в различных спектральных диапазонах (видимом и телекоммуникационном), используя компактные коммерческие диодные лазеры с непрерывным излучением.

«Предложенный метод ляжет в основу создания компактных оптоволоконных источников для различных приложений квантовых технологий. На данный момент изготовлена опытная экспериментальная установка, на которой проводились исследования. Планируются работы по созданию на ее основе отдельного источника квантового света»,— отметил представитель группы разработчиков КНИТУ-КАИ, научный сотрудник лаборатории интегральной квантовой оптики Максим Смирнов.

Авторы КНИТУ-КАИ подчеркивают важность задачи по переводу методов генерации фотонных пар на оптоволоконную платформу, обеспечивающую компактность и масштабируемость источников света, как практически значимой. При этом использование оптических волокон, в оболочке которых содержатся микроскопические воздушные отверстия, в качестве среды для генерации имеет высокий потенциал для реализации этого перехода.

Экспериментальные возможности существующих оптоволоконных решений помогут выйти квантовым источникам за рамки громоздких экспериментальных установок и трансформироваться в виде миниатюрных инструментов. Это, безусловно, расширит их применение на практике — в разработке квантовых компьютеров, квантового интернета и т. д.

Сергей Моисеев, директор Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ, профессор, доктор физико-математических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое квантовые технологии? Какие они бывают?

— Квантовые технологии являются очень перспективным видом современных технологий, в основе которых лежат фундаментальные законы квантовой механики, то есть области физики, занимающейся изучением элементарных частиц, таких как атомы, элементарные порции (кванты) света — фотоны, а также взаимодействий между ними. Изучением фотонов и их взаимодействия с веществом занимается квантовая оптика.

В настоящее время выделяют три ключевых направления развития квантовых технологий: квантовые коммуникации, занимающиеся созданием защищенных сетей связи; квантовые вычисления, занимающиеся вопросами создания квантового компьютера — мощного инструмента вычислений, который может позволить многократно ускорить проведение сложных расчетов; квантовые сенсоры, занимающиеся разработкой сверхточных и чувствительных, а в некоторых случаях очень маленьких датчиков, которые можно будет применять в медицине, системах спутниковой связи.

— Как устроена квантовая оптика и причем тут фотоны света?

— Каждое из этих направлений включает большое количество задач и методов использования квантовых состояний света, включая однофотонные поля. Однако источники этих фотонов сильно отличаются от привычных нам источников света — ламп и коммерческих лазеров. В квантовых технологиях нужны одиночные фотоны и фотонные пары, то есть такие состояния света, которые содержат всего один квант света (одиночный фотон) или два связанных между собой кванта света (фотонная пара — бифотон). Для создания и развития таких источников требуются применение современных оптических технологий. За фундаментальные эксперименты с фотонными парами была вручена Нобелевская премия по физике в 2022 году.

— Что такое оптоволоконные источники? Как они работают?

— В настоящее время активно используются методы генерации бифотонов, основанные на воздействии мощных лазерных полей на специальные нелинейно-оптические материалы, например кристаллы, или оптические волокна. Как правило, несущая частота генерируемых фотонов отличается от частоты лазера, что позволяет выделять однофотонные поля от лазерного излучения. Использование оптических волокон приобретает все большую популярность в разработке методов генерации бифотонов, поскольку генерируемые фотоны без существенных потерь могут сохранять свои характеристики при их переводе в другие волоконно-оптические схемы и линии связи. Более того, активное развитие технологий создания оптических волокон позволяет расширять их функциональные возможности, например, путем создания в них фотонно-кристаллической структуры из микроскопических воздушных отверстий. Такие микроструктурированные волокна (называемые также фотонно-кристаллическими волокнами) зарекомендовали себя перспективным новым оптоволоконным материалом для генерации источников фотонов, параметры которых могут управляться и согласовываться с конкретными приложениями квантовых технологий.

— С помощью каких технологий сейчас достигают генерации двухфотонных состояний света?

— Генерация бифотонов в оптических волокнах осуществляется на основе спонтанного четырехволнового смешения — нелинейного оптического эффекта, в результате которого пара фотонов лазерного излучения преобразуются в два дочерних фотона, параметры которых сильно коррелируют между собой. Очень важно, что при определенных условиях, согласно законам квантовой теории, степень корреляции характеристик генерируемых фотонов (их частот, поляризаций) может быть существенно выше, чем это возможно для классических частиц. Эти сильные неклассические корреляции фотонов находят широкое применение в оптических квантовых технологиях, в первую очередь в оптических коммуникациях на большие расстояния.

— Что позволило ученым из Казанского квантового центра создать основу для компактных оптоволоконных источников? Как проходило исследование?

— Ученым из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ в сотрудничестве с коллегами из МГУ им. М. В. Ломоносова удалось разработать новый тип источника бифотонов, в основе которого лежит процесс генерации внутри микроструктурированного волокна при использовании коммерческого диодного лазера. Идея создания такого источника основана на использовании того факта, что микроструктурированные волокна позволяют генерировать бифотоны на различных длинах волн (частотах колебания) при небольшой средней мощности лазерного излучения.

Разработке предшествовали многолетние теоретические и экспериментальные исследования ученых в области нелинейной, волоконной и квантовой оптики, которые финансово поддерживались из таких научных грантов, как «Мегагрант» (поддержанный правительством Российской Федерации, руководитель — д.ф.-м.н., профессор А. М. Желтиков), гранты РНФ, РФФИ, АНТ. В результате исследований был опубликован ряд научных статей, имеющих значение для фундаментальной и прикладной физики. Сам Казанский квантовый центр был основан в 2014 году в рамках КНИТУ-КАИ, директором Центра является д.ф.-м.н., профессор С. А. Моисеев, который руководит научным коллективом (около 20 человек), включающим кандидатов физико-математических наук, аспирантов, научных сотрудников и инженеров.

Исследование проводилось в лаборатории фотоники и квантовых технологий Казанского квантового центра, суть его заключалась в следующем: свет от непрерывного диодного лазера с помощью оптических линз и зеркал заводился внутрь микроструктурного волокна. Распространяясь по волокну, лазерное излучение вызывало генерацию бифотонов, физические характеристики которых во многом определялись строением и физическими параметрами волокна. На выходе из волокна сгенерированные бифотоны собирались линзой и отделялись от лазерного излучения с помощью системы оптических фильтров. Характеристики «очищенных» таким образом бифотонов измерялись после их разделения по спектру специальными детекторами одиночных фотонов.

В упомянутом выше исследовании была продемонстрирована возможность генерации фотонных пар в оптическом волокне при использовании непрерывного диодного лазера. Здесь стоит отметить, что диодные лазеры широко используются в бытовых приборах, например в телекоммуникационных линиях связи, в компьютерах. Даже в хорошо всем известной лазерной указке стоит именно лазерный диод. Они имеют небольшую стоимость и малые размеры. Таким образом, результаты наших исследований помогут выйти оптоволоконным источникам бифотонов за рамки громоздких экспериментальных установок и трансформироваться в виде дешевых и миниатюрных инструментов, что, безусловно, расширит их применение на практике.

Работа была выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, результаты исследований опубликованы в международном научном журнале «Письма в ЖЭТФ» (JETP Letters). DOI: 10.31857/S1234567824050033, EDN: CZFEWC.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки