http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=52cd2b61-3566-4d6a-bfac-f53e68db6591&print=1
© 2020 Российская академия наук

Ученые разработали новое поколение однофотонных излучателей

13.11.2020



Исследователи разработали излучатель нового поколения, способный испускать одиночные фотоны. Он создан на основе гибридной структуры, состоящей из трехслойных коллоидных кристаллов (CdSe/CdS/ZnS) и органического комплекса иона неодима. Для синтеза этого соединения не нужно использовать сложное оборудование, а сама структура устойчива к воздействиям температуры и окружающей среды. Такая простая технология изготовления делает структуру легко доступной при производстве источников одиночных фотонов для приложений квантовой криптографии, совместимых с имеющимися оптоволоконными линиями. Исследование проведено при поддержке Президентской программы Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Optics letters.

Квантовые коммуникации — уникальный вид передачи информации, основанный на квантовой криптографии. Он разрабатывается так, чтобы сообщение просто невозможно было перехватить. Причем это нельзя сделать не из-за сложности шифрования, а потому что взлом такой системы противоречит фундаментальным законам. Она похожа на телефон из стаканчиков: два пластиковых стаканчика соединяются между собой веревкой, по которой проходит звуковая волна. Если в момент разговора кто-то будет держать веревку, то волна не сможет пройти, и разговор не состоится.

Важным элементом в этой системе является однофотонный излучатель (эмиттер), он и создает тот самый одиночный фотон, который перемещается по оптоволоконному кабелю — веревочке между стаканчиками. Тем не менее, существующие излучатели либо сложны в изготовлении, либо уязвимы для внешних воздействий, таких как температура. Группе исследователей из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) удалось преодолеть эти ограничения. Для это был создан гибридный материал, состоящий из трехслойных нанокристаллов CdSe/CdS/ZnS, окруженных оболочкой из специально подобранного комплексного соединения редкоземельного иона неодима с органическими молекулами. Уникальной особенность нанокристаллов является способность «мерцать». При непрерывном облучении возбуждающим светом его переизлучение происходит не непрерывно (как у обычных люминофоров), а с промежутками. Причина этого явления состоит в квантовой природе таких объектов. Путем тщательного подбора компонентов гибридного материала ученым удалось добиться того, что в «темном» периоде мерцания энергия от нанокристалла передается на ион неодима, который и высвечивает ее избыток. Причем это происходит не в видимом, а в ближнем инфракрасном диапазоне (850-1300 нм), идеально совместимом с кварцевым оптоволокном, используемыми в оптических линиях связи.

«Режим однофотонной эмиссии иона неодима в гибридной структуре зависит от скорости накопления энергии нанокристалла. Основываясь на простой модели передачи энергии от нанокристаллов к иону, мы смогли определить необходимую мощность накачки для достижения однофотонного режима. Простая технология изготовления делает нашу гибридную структуру легко доступной при производстве источников одиночных фотонов для приложений квантовой криптографии, совместимых с имеющимися оптоволоконными линиями», — комментирует участник исследования Илья Тайдаков, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН.

Квантовые коммуникации чрезвычайно важны для государственных структур, бизнеса и военных организаций, ведь благодаря особому принципу работы их почти невозможно взломать. Разработанный эмиттер поможет облегчить создание элементов таких сетей.

(jpg, 212 Kб)

Картинка. Дизайнер: Вадим Сорокин