Новости науки12.11.01. Квантовые точки - иногда и "один в поле воин".

Представляя собой интересный физический объект, созданный человеком, квантовые точки ( "искусственные атомы" ), также весьма перспективны в плане практического применения. В таких областях, как создание светоизлучающих устройств на основе квантовых точек, достижения видны уже в прямом смысле слова невооруженным глазом. Однако для некоторых приложений необходимо работать не с массивами квантовых точек, а с отдельными "искусственными атомами". В недавней работе французских ученых экспериментально демонстрируется генерация пар коррелированных фотонов отдельными квантовыми точками.

Классические источники света обычно представляют собой макроскопически большой набор излучателей. Однако помимо создания светодиодов или лазеров для современных скоростных оптоволоконных систем связи, структуры с квантовыми точками могут быть использованы и в более экзотических пока областях, таких как квантовая криптография, создание квантовых компьютеров и т.д. Для некоторых таких приложений необходимо уметь управляемым образом генерировать отдельные фотоны или пары фотонов, что требует работы с отдельными излучателями. Дело в том, что статистические закономерности генерации фотонов отдельными излучателями отличаются от классических. Это находит отражение в экспериментах по исследованию статистики фотоотсчетов, когда регистрируется временная зависимость числа отсчетов детекторов отдельных фотонов. В классическом случае возможно наблюдение только так называемой "группировки" фотонов, когда регистрация фотона одним детектором увеличивает вероятность регистрации фотона другим детектором. При работе же с отдельными излучателями может наблюдаться противоположный эффект - "антигруппировка" фотонов, когда регистрация фотона одним детектором уменьшает вероятность регистрации фотона другим детектором. Понять причину этого эффекта несложно - при резонансном оптическом возбуждении, например, отдельного атома он не может испустить два фотона одновременно, поэтому вероятность одновременной регистрации двух фотонов равна нулю. Однако в плане создания источников отдельных фотонов и фотонных пар гораздо удобнее работать с "искусственными атомами" - структуры с квантовыми точками обеспечивают высокую эффективность генерации фотонов и могут быть легко интегрированы в твердотельные электронные устройства.

Рис.1. Схема эксперимента. На вставке изображен спектр люминесценции квантовой точки.

Сам процесс генерации пары коррелированых фотонов происходил следующим образом. Под действием лазерного излучения в квантовой точке рождается одна или несколько электрон-дырочных пар. Электростатическое взаимодействие между парами (если пара не одна) приводит к изменению положения уровней энергии. Соответственно, если в квантовой точке присутствуют две электрон-дырочные пары, то первая и вторая пара при рекомбинации испускают фотоны, несколько различающиеся по энергии, что дает возможность (с помощью спектральной фильтрации) регистрировать отдельно фотоны, испущенные при рекомбинации каждой пары (схема эксперимента изображена на рисунке 1). Поскольку всегда сначала рекомбинирует одна пара в присутствии второй, а потом - оставшаяся электрон-дырочная пара, то вероятность регистрации фотона одним детектором должна зависеть от того, был ли зарегистрирован фотон другим детектором (при определенных условиях будет иметь место группировка, при других - антигруппировка), что и было показано в экспериментах [1].

Работа французских ученых демонстрирует возможность генерации пар коррелированных фотонов для квантовых информационных систем (о возможности построения источника одиночных фотонов на основе сходных принципов при работе с отдельной квантовой точки мы уже писали ). Нужно подчеркнуть, что речь пока идет именно о коррелированных фотонах, а не о фотонах, запутанных в квантовомеханическом смысле (выполненные эксперименты не могут дать ответ на вопрос, имеет ли место запутанность фотонов), а для многих приложений нужна именно запутанность фотонов (см., например, нашу заметку ). Но в принципе можно было бы ожидать и генерации пар запутанных фотонов с помощью отдельных квантовых точек, и такой источник запутанных фотонов имел бы множество преимуществ перед существующими.

1. E.Moreau, I.Robert, L.Manin et al. Phys.Rev.Lett. v.87, 183601 (2001).

перейти к началу страницы