Детерминированные и высоко неразличимые одиночные фотоны в телеком‑C‑диапазоне

Свет для Интернета будущего

Современный Интернет передаёт информацию с помощью лазерного света в оптических волокнах, но квантовый Интернет будущего потребует потоков отдельных частиц света — фотонов — которые ведут себя строго контролируемым образом. В этом исследовании показано, как построить крошечный источник света на чипе, способный надёжно испускать по одному высококачественному фотону за раз на тех же длинах волн, что уже используются в сетях для передачи на большие расстояния, что приближает практическую квантовую связь.

Почему одиночные фотоны должны быть одинаковыми

Для многих квантовых технологий — от сверхбезопасной связи до новых видов вычислений — недостаточно иметь одиночные фотоны по запросу; эти фотоны также должны быть практически тождественными. Если два фотона действительно неразличимы — одинакового цвета, времени прихода и формы волнового пакета — они могут взаимно интерферировать способом, не имеющим аналогов в повседневной жизни. Эта «двухфотонная интерференция» является базовым строительным блоком квантовых логических операций, реализуемых с помощью света. Задача заключалась в создании источника, производящего такие почти идентичные фотоны в стандартном телеком‑C‑диапазоне около 1550 нм, где существующие оптические волокна имеют минимальные потери.

Крошечный искусственный атом на чипе

Авторы используют полупроводниковую квантовую точку — искусственную структуру настолько малую, что она ведёт себя как искусственный атом. Их устройство выполнено из мышьяка индия (индий‑мышьяковый состав), внедрённого в тщательно спроектированную окружающую среду, и помещено внутрь кругового дифракционного решётчатого резонатора Брегга, который функционирует как микроскопическая резонаторная камера, направляющая испускаемый свет вверх. Чип находится в криостате при температуре в четыре градуса выше абсолютного нуля и возбуждается очень короткими лазерными импульсами. Затем исследователи пропускают возникающие фотоны через фильтры и компоненты волоконной оптики, чтобы проанализировать их цвет, время прихода и вероятность одновременной генерации нескольких фотонов.

Настройка способа возбуждения точки

Чтобы найти оптимальные условия работы, команда систематически сравнивает четыре разных способа воздействия лазером на квантовую точку. Один метод использует лазер с высокой энергией, возбуждающий множество состояний одновременно, в то время как другие применяют более селективные длины волн, включая технику, где лазер настроен немного в сторону от основной переходной линии, и квантовая точка поглощает или испускает колебания кристаллической решётки — фононы — чтобы достичь требуемого состояния. Для каждой схемы они измеряют, насколько «одиночна» генерация, оценивая вероятность получения более чем одного фотона за импульс, и насколько неразличимы подряд идущие фотоны, пропуская пары через полусеребряное зеркало и фиксируя степень их интерференции.

Достижение рекордной похожести фотонов

Наиболее яркий результат получен при фонон‑ассистированном возбуждении. В этом режиме устройство практически не даёт лишних фотонов — вклад мультифотонных событий составляет всего несколько процентов — и, что важно, последовательные фотоны демонстрируют необработанную видимость интерференции выше 91 процента. Это значение прямо указывает на степень тождества фотонов и превосходит предыдущие рекорды для твёрдо‑телесных излучателей на телеком‑длин волны. Авторы показывают, что другие методы возбуждения также дают хорошее поведение как источника одиночных фотонов, но уступают по неразличимости, вероятно потому, что они подготавливают состояние квантовой точки более медленно и менее чисто.

Что это означает для квантовых сетей

Проще говоря, исследователи создали микроскопический источник света, способный по требованию выдавать почти одинаковые одиночные фотоны на той же длине волны, что используется в современных магистральных волоконных сетях. Сопоставляя или превосходя качество фотонов более сложных вероятностных источников и оставаясь при этом детерминированным — испуская фотон по запросу — их подход помогает закрыть ключевой разрыв в производительности. Это приближает практические системы квантовой связи и будущие оптические квантовые компьютеры к реальности, используя аппаратные средства, которые можно интегрировать в существующую телеком‑инфраструктуру.

Цитирование: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

Ключевые слова: источники одиночных фотонов, квантовые точки, телеком‑C‑диапазон, квантовая связь, неразличимость фотонов