100 МИЛЛИОНОВ ФОТОНОВ В СЕКУНДУ ОТ ОДНОЙ МОЛЕКУЛЫ

Квантовая связь, квантовые сети и оптические квантовые компьютеры опираются на одну и ту же базовую деталь: источник одиночных фотонов — устройство, которое испускает свет по одному фотону, по запросу, причём каждый фотон идентичен следующему.

Кандидатов много: отдельные атомы, захваченные ионы, полупроводниковые квантовые точки — самые зрелые — и дефекты в алмазе или кремнии. Органические молекулы — другой путь. Их структура задаётся химией, атом за атомом, и в точности воспроизводима; их цвет можно выбрать, спроектировав молекулу. Они крошечные и дёшевы в изготовлении. Охлаждённые почти до абсолютного нуля внутри кристалла-матрицы, они испускают свет наивысшей возможной спектральной чистоты и практически никогда не изнашиваются.

Проблема: потерянный свет

Излучатель посылает свет во все стороны, и значительная его часть остаётся запертой внутри материала из-за полного внутреннего отражения. Фотон, не попавший в первую линзу, потерян навсегда. Обычные решения — микрорезонаторы, нанопроволоки — требуют травления материала. Здесь это невозможно: органические кристаллы, дающие лучший свет, хрупки и не выдерживают технологических процессов.

Зеркало, купол и слой в 140 нанометров

Команда Штефана Гётцингера из Института физики света Общества Макса Планка в Эрлангене использовала вместо этого планарную антенну. Серебряное зеркало лежит под слоем кремнезёма. Сверху к подложке напрямую прикреплена полусфера из оксида циркония — «твёрдотельная иммерсионная линза», — так что остаётся канал толщиной всего 140 нанометров. Этот канал заполняют расплавленным органическим кристаллом (1,4-дихлорбензолом), содержащим несколько молекул дибензотеррилена, после чего он затвердевает.

Свет направляется к куполу с высоким показателем преломления; зеркало возвращает то, что ушло бы в другую сторону. Важно, что сам кристалл никогда не травится: вся структура находится в подложке. Антенна не опирается на узкий резонанс, поэтому работает в широком диапазоне цветов и почти не зависит от ориентации молекулы. Образец охлаждают до 1,4 кельвина (−271,75 °C).

Цифры

• Эффективность сбора: 97 ± 2 % света доходит до первой линзы.
• Около 100 миллионов фотонов в секунду собрано от одной молекулы по всему её спектру — по словам авторов, это наибольшая скорость, когда-либо сообщавшаяся для криогенного источника одиночных фотонов на любой платформе. Зарегистрированная скорость, 21,3 миллиона отсчётов в секунду, в десять раз выше, чем у прежних криогенных молекулярных источников.
• Чистота: выше 97,5 % — фотоны действительно выходят по одному, даже при сильном возбуждении.
• Неразличимость: 91,2 ± 2,3 % — насколько идентичны последовательные фотоны; её ограничивает небольшая остаточная потеря когерентности.
• Два фотона, испущенные с интервалом 170,7 наносекунды, всё ещё интерферируют с высокой видностью.
• Попутно команда измерила, что молекула превращает в свет около 90 % своих возбуждений — первая прямая низкотемпературная оценка для этой молекулы.

Органические молекулы вступают в гонку

Результаты ставят органические молекулы в ряд конкурентоспособных платформ для одиночных фотонов: они одновременно яркие, чистые и когерентные. Поскольку антенну не нужно настраивать под конкретную молекулу, авторы ожидают, что она будет работать и с другими парами молекула–кристалл, а значит, и на других цветах. Их следующая цель — настроить несколько соседних молекул на одну частоту, чтобы получать более сложные квантовые состояния света, — шаг к будущим квантовым фотонным сетям.