Исследователи из Стэнфордского университета США разработали наноразмерное устройство квантовой связи, работающее при комнатной температуре. Это устройство использует «скрученный свет» для соединения спина фотона со спином электрона, обеспечивая запутывание фотонов и электронов без необходимости сверхнизкого охлаждения, что открывает новый экспериментальный путь для миниатюризации компонентов квантовой связи.
Данное исследование направлено на решение проблемы зависимости квантовой связи от низких температур. Многие существующие квантовые системы требуют среды, близкой к абсолютному нулю, для поддержания квантового состояния; охлаждающее оборудование громоздко и дорого, что также ограничивает применение квантовых устройств в более широком спектре коммуникационных и вычислительных устройств. Команда Стэнфорда создала устройство из тонкого слоя дисульфида молибдена и наноструктурированной кремниевой подложки. С помощью кремниевых наноструктур они точно управляют светом, заставляя его распространяться по спирали и передавать эту спин-характеристику электронам. Фотоны подходят для передачи информации на большие расстояния, а электроны — для хранения и обработки информации внутри чипа; если между ними установить стабильную связь, появляется возможность переносить квантовую информацию из коммуникационных каналов в чиповые устройства.
Используемый в устройстве дисульфид молибдена относится к материалам переходных металлов-дихалькогенидов и обладает выгодными оптическими и квантовыми свойствами. Исследовательская группа усилила и ограничила скрученный свет с помощью кремниевых наноструктур, создав более прочную связь между спином фотона и спином электрона, тем самым стабилизируя квантовое состояние, пригодное для связи. Для квантовой связи стабильность запутанного состояния, возможность его формирования в технологичных устройствах и работа при комнатной температуре влияют на последующее проектирование системы.
«Скрученный свет» здесь — это не просто формирование обычного светового пучка, а световое поле, несущее определенную спин-информацию. Наноструктуры позволяют фотонам вращаться в заданном направлении и связывать это вращение со спином электронов в материале. Состояние кубита легко подвержено влиянию внешних возмущений; если спин электрона быстро теряется, информация не может быть эффективно передана. Устройство команды Стэнфорда благодаря дизайну материала и структуры светового поля поддерживает пригодность фотон-электронной связи при комнатной температуре. Этот подход снижает зависимость от крупных криогенных систем и открывает возможность создания более компактного аппаратного обеспечения для будущих чипов квантовой связи, квантовых датчиков и чиповых оптоэлектронных систем. Для дальнейшего перехода к сетевым приложениям потребуется также оснащение лучшими источниками света, модуляторами, детекторами, соединительными структурами и системной упаковкой.
Исследовательская группа продолжает оптимизировать характеристики устройства и изучать другие комбинации переходных металлов-дихалькогенидов и материалов. Работа при комнатной температуре — лишь один шаг на пути к практическому применению; для реального входа в квантовую сеть необходимо решить вопросы согласованности устройств, интеграционного производства, считывания сигналов, контроля ошибок и системной стабильности. Команда Стэнфорда объединила скрученный свет, двумерные материалы и кремниевые наноструктуры в одном устройстве, предложив экспериментальный подход к аппаратному обеспечению квантовой связи, отличный от традиционных криогенных методов.