I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Università di Siegen hanno spiegato il meccanismo della generazione di un singolo fotone nei diodi di diamante. Le loro scoperte, pubblicato in Revisione fisica applicata , offrono nuove strade per lo sviluppo di sorgenti a singolo fotone ad alta velocità per le reti di comunicazione quantistica e i computer quantistici del futuro.

Il funzionamento a livello del singolo fotone aumenta la possibilità di sviluppare dispositivi di comunicazione e di elaborazione completamente nuovi, che vanno dai generatori di numeri casuali hardware ai computer quantistici. Forse la tecnologia quantistica più attesa è la comunicazione quantistica. crittografia quantistica, che si basa sulle leggi della fisica quantistica, garantisce la sicurezza incondizionata della comunicazione. In altre parole, è fondamentalmente impossibile intercettare il messaggio trasmesso, indipendentemente dall'attrezzatura o dalla potenza di calcolo a disposizione dell'hacker. Anche un potente computer quantistico non può aiutare in questo caso. Però, l'implementazione di linee di comunicazione quantistiche e altri dispositivi quantistici si basa inevitabilmente su efficienti sorgenti a singolo fotone.

È una necessità pratica che le sorgenti a singolo fotone operino in condizioni standard e siano pompate elettricamente, questo è, dovrebbero funzionare a temperatura ambiente ed essere alimentati da una batteria. Questi requisiti cruciali non sono così facili da soddisfare. Primo, i sistemi quantistici non sono realmente compatibili con le alte temperature, il che significa che devono funzionare in un frigorifero o criostato per raffreddarli alla temperatura dell'elio liquido o anche più fredda, a meno di 1 kelvin, che è pari a -272 gradi Celsius. Sebbene l'uso di tali dispositivi sia diventato una pratica standard nella ricerca fisica, un sistema di raffreddamento di questo tipo è estremamente impraticabile, inibendo la produzione di massa di dispositivi quantistici. Anche, la nozione di sistema quantistico implica l'assenza di interazioni incontrollate con l'ambiente circostante. Un classico esempio di un tale sistema è un singolo atomo in una camera a vuoto. Sebbene la sua interazione con l'ambiente sia trascurabile, i fisici possono tuttavia controllare i suoi stati elettronici con un laser. Illuminando la camera con un raggio laser, un elettrone viene promosso da un orbitale occupato a energia inferiore a un orbitale vuoto a energia superiore. Dopo di che, l'atomo si rilassa allo stato iniziale tramite l'emissione di fotoni. Il problema è che un tale sistema non può essere pompato elettricamente.

Negli ultimi due decenni, la ricerca in corso nel campo dell'ottica quantistica e dell'elettronica ha dimostrato che anche i sistemi quantistici a semiconduttore non producono risultati soddisfacenti sotto pompaggio elettrico a temperatura ambiente, mentre molti degli altri materiali non conducono affatto elettricità.

La sorprendente soluzione a questo problema è stata precedentemente trovata nel diamante, un materiale che presenta proprietà all'interfaccia tra semiconduttori e dielettrici. I ricercatori hanno scoperto che alcuni punti nel reticolo cristallino del diamante possono funzionare come sistemi quantistici con eccezionali caratteristiche di emissione di fotoni. Inoltre, hanno scoperto che questi sistemi quantistici sono in grado di emettere singoli fotoni quando una corrente elettrica passa attraverso il diamante. Tuttavia, la fisica dietro questo fenomeno rimaneva sconosciuta e non era chiaro come progettare sorgenti a singolo fotone veloci ed efficienti basate sui centri di colore.

Nel nuovo giornale, i ricercatori del MIPT e dell'Università di Siegen hanno stabilito un meccanismo di emissione di singoli fotoni dai centri di vuoto di azoto pompati elettricamente nel diamante e hanno determinato i fattori che influenzano la dinamica di emissione dei fotoni. Secondo la loro ricerca, il processo di emissione del singolo fotone può essere suddiviso in tre fasi:(1) la cattura di elettroni da parte di un centro di colore, (2) la cattura del buco, cioè la perdita di un elettrone, e (3) le transizioni di elettroni o lacune tra i livelli di energia del centro di colore. Insieme, queste tre fasi sono analoghe a un revolver che spara.

Sparare un proiettile in questa analogia significa emettere un singolo fotone. Un elettrone viene catturato dal difetto:pensa a questo come a tirare indietro il martello di una pistola. Poi si preme il grilletto, che mette in moto il meccanismo di innesco, lanciando il martello contro l'innesco della cartuccia. Questo movimento inverso del martello corrisponde alla cattura di un foro da parte del centro colore. Poi il primer esplode, accendere il propellente, e i gas di combustione spingono il proiettile lungo e fuori dalla canna. Allo stesso modo, il buco catturato nel centro del colore subisce transizioni tra lo stato fondamentale e quello eccitato, che provoca l'emissione di un fotone. I cicli successivi ripetono il primo ciclo, con l'eccezione che non è necessaria una nuova cartuccia, perché il centro colore è in grado di emettere un numero qualsiasi di fotoni uno alla volta.

Un requisito importante per una pratica sorgente a singolo fotone è che deve emettere fotoni a tempi predeterminati, dal momento in cui il fotone viene emesso, vola via alla velocità della luce. "In un modo, è come un duello veloce nel selvaggio West, " dice Dmitry Fedyanin. "Due cowboy tirano fuori le loro pistole nel momento in cui l'orologio suona. Chi spara per primo di solito è il vincitore. Qualsiasi ritardo potrebbe costare la vita a ciascuno di loro. Con i dispositivi quantistici, la storia è più o meno la stessa:è fondamentale generare un fotone proprio nel momento in cui ne abbiamo bisogno." Nel loro articolo, i ricercatori mostrano cosa determina il tempo di risposta di una sorgente a singolo fotone, questo è, il ritardo prima che la sorgente emetta un fotone. Hanno anche valutato la probabilità di emettere un nuovo fotone al tempo dopo l'emissione del primo fotone. Come risulta, il tempo di risposta può essere regolato e migliorato di diversi ordini di grandezza modificando le caratteristiche del diamante tramite drogaggio o controllando le densità degli elettroni e delle lacune iniettate nel diamante. Oltre a questo, Fedianin dice, lo stato iniziale del centro colore può essere controllato variando la sua posizione nel diodo a diamante. Questo è simile a come un pistolero potrebbe armare il revolver per un tiro più veloce o mettere la pistola a metà gallo.

Il modello fisico avanzato dai ricercatori fa luce sul comportamento dei centri di colore nel diamante. Oltre a fornire un'interpretazione qualitativa, l'approccio teorico proposto riproduce recenti risultati sperimentali. Ciò apre una nuova possibilità per la progettazione e lo sviluppo di pratiche sorgenti a singolo fotone con le caratteristiche desiderate, che sono vitali per la realizzazione di dispositivi di informazione quantistica, come linee di comunicazione incondizionatamente sicure basate sulla crittografia quantistica.