Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e da Universidade de Siegen explicaram o mecanismo de geração de fóton único em diodos de diamante. Suas descobertas, publicado em Revisão Física Aplicada , oferecem novos caminhos para o desenvolvimento de fontes de fóton único de alta velocidade para redes de comunicação quântica e computadores quânticos do futuro.

A operação no nível de um único fóton aumenta a possibilidade de desenvolver dispositivos de comunicação e computação inteiramente novos, variando de geradores de números aleatórios de hardware a computadores quânticos. Talvez a tecnologia quântica mais esperada seja a comunicação quântica. Criptografia quântica, que se baseia nas leis da física quântica, garante a segurança incondicional da comunicação. Em outras palavras, é fundamentalmente impossível interceptar a mensagem transmitida, não importa o equipamento ou a quantidade de capacidade de computação disponível para o hacker. Mesmo um computador quântico poderoso não pode ajudar neste caso. Contudo, a implementação de linhas de comunicação quântica e outros dispositivos quânticos inevitavelmente depende de fontes eficientes de fóton único.

É uma necessidade prática que as fontes de fóton único operem sob condições padrão e sejam eletricamente bombeadas, isso é, devem funcionar à temperatura ambiente e ser alimentados por bateria. Esses requisitos cruciais não são tão fáceis de atender. Primeiro, sistemas quânticos não são realmente compatíveis com altas temperaturas, o que significa que eles devem operar em uma geladeira ou criostato, a fim de resfriá-los à temperatura do hélio líquido ou ainda mais fria, abaixo de 1 Kelvin, que é igual a -272 graus Celsius. Embora o uso de tais dispositivos tenha se tornado uma prática padrão na pesquisa física, um sistema de resfriamento desse tipo é totalmente impraticável, inibindo a produção em massa de dispositivos quânticos. Também, a noção de um sistema quântico implica a ausência de interações descontroladas com o ambiente circundante. Um exemplo clássico de tal sistema é um único átomo em uma câmara de vácuo. Embora sua interação com o meio ambiente seja insignificante, os físicos podem, no entanto, controlar seus estados de elétrons com um laser. Ao iluminar a câmara com um feixe de laser, um elétron é promovido de um orbital de baixa energia ocupado a um orbital vazio de alta energia. Depois disso, o átomo relaxa para o estado inicial por meio da emissão de fótons. O problema é que tal sistema não pode ser bombeado eletricamente.

Nas últimas duas décadas, pesquisas em andamento no campo da óptica quântica e eletrônica mostraram que mesmo os sistemas quânticos semicondutores não produzem resultados satisfatórios sob bombeamento elétrico à temperatura ambiente, ao passo que muitos dos outros materiais não conduzem eletricidade de forma alguma.

A solução surpreendente para este problema foi encontrada anteriormente no diamante, um material que exibe propriedades na interface entre semicondutores e dielétricos. Os pesquisadores descobriram que certos pontos na rede cristalina do diamante podem funcionar como sistemas quânticos com excelentes características de emissão de fótons. Além disso, eles descobriram que esses sistemas quânticos são capazes de emitir fótons únicos quando uma corrente elétrica passa pelo diamante. No entanto, a física por trás desse fenômeno permanecia desconhecida e não estava claro como projetar fontes de fóton único rápidas e eficientes com base em centros de cores.

No novo jornal, os pesquisadores do MIPT e da Universidade de Siegen estabeleceram um mecanismo de emissão de fóton único a partir de centros de vacância de nitrogênio eletricamente bombeados no diamante e determinaram os fatores que afetam a dinâmica de emissão de fótons. De acordo com sua pesquisa, o processo de emissão de fóton único pode ser dividido em três estágios:(1) a captura de elétrons por um centro de cor, (2) a captura do buraco, significando a perda de um elétron, e (3) as transições de elétrons ou lacunas entre os níveis de energia do centro de cor. Juntos, esses três estágios são análogos a um revólver disparando.

Disparar uma bala nesta analogia significa emitir um único fóton. Um elétron é capturado pelo defeito - pense nisso como puxar para trás o martelo de uma arma. Então o gatilho é puxado, que coloca o mecanismo de acionamento em movimento, jogando o martelo contra o primer do cartucho. Este movimento invertido do martelo corresponde à captura de um furo pelo centro de cor. Em seguida, o primer explode, acendendo o propelente, e os gases de combustão impulsionam a bala ao longo e para fora do cano. De forma similar, o buraco capturado no centro da cor passa por transições entre os estados fundamental e excitado, que resulta na emissão de um fóton. Os ciclos subsequentes repetem o primeiro ciclo, com a exceção de que não há necessidade de um novo cartucho, porque o centro da cor é capaz de emitir qualquer número de fótons, um de cada vez.

Um requisito importante para uma fonte prática de fóton único é que ela deve emitir fótons em tempos predeterminados, desde o momento em que o fóton é emitido, ele voa na velocidade da luz. "De certa forma, é como um duelo de sorteio rápido no Velho Oeste, "diz Dmitry Fedyanin." Dois cowboys sacam suas armas no momento em que o relógio bate. Quem atirar primeiro geralmente é o vencedor. Qualquer atraso pode custar a vida de cada um deles. Com dispositivos quânticos, a história é praticamente a mesma:é crucial gerar um fóton precisamente no momento em que precisamos. "Em seu artigo, os pesquisadores mostram o que determina o tempo de resposta de uma fonte de fóton único, isso é, o atraso antes que a fonte emita um fóton. Eles também avaliaram a probabilidade de emitir um novo fóton no tempo τ após a emissão do primeiro fóton. Acontece que o tempo de resposta pode ser ajustado e melhorado em várias ordens de magnitude, alterando as características do diamante por meio de dopagem ou controlando as densidades de elétrons e buracos injetados no diamante. Além disso, Fedyanin diz, o estado inicial do centro de cor pode ser controlado variando sua posição no diodo de diamante. Isso é semelhante a como um pistoleiro pode engatilhar o revólver para um tiro mais rápido ou colocar a arma na metade.

O modelo físico avançado pelos pesquisadores lança luz sobre o comportamento dos centros de cores no diamante. Além de fornecer uma interpretação qualitativa, a abordagem teórica proposta reproduz resultados experimentais recentes. Isso abre uma nova possibilidade para o projeto e desenvolvimento de fontes práticas de um único fóton com as características desejadas, que são vitais para a realização de dispositivos de informação quântica, como linhas de comunicação incondicionalmente seguras com base em criptografia quântica.