Введение в квантовую коммуникацию и роль материалов

Квантовая связь использует законы квантовой механики, чтобы обеспечить безопасную передачу данных, которая теоретически не поддается прослушиванию. В отличие от классического шифрования, которое опирается на математическую сложность, квантовое распределение ключей (QKD) использует однофотонные состояния для обнаружения перехвата. Глобальный толчок для квантово-безопасных сетей ускорил исследования физических компонентов, которые делают эти системы практичными. В основе каждого квантового узла связи - будь то источник одного фотона, детектор, квантовая память или ретранслятор - лежит тщательно спроектированная материальная платформа. Выбор материала непосредственно определяет время когерентности, рабочую температуру, масштабируемость и интеграцию с существующей фотонной инфраструктурой. В этой статье исследуются новые материалы, которые меняют ландшафт квантовых компонентов связи, от сверхпроводников и двумерных кристаллов до топологических изоляторов и систем на основе дефектов.

Для реализации глобального квантового интернета требуются компоненты, которые генерируют, манипулируют, хранят и обнаруживают квантовые состояния с высокой точностью. Ни один материал не удовлетворяет всем требованиям; поэтому исследователи исследуют разнообразный набор платформ, каждая из которых предлагает уникальные компромиссы. Область быстро развивается, с прорывами в синтезе материалов, дефектной инженерии и гибридной интеграции, открывающей новые пути. Понимание этих материалов необходимо для инженеров и исследователей, разрабатывающих следующее поколение систем квантовой связи.

Сверхпроводящие материалы

Сверхпроводники давно стали краеугольным камнем квантовых технологий благодаря их способности проводить электричество без сопротивления и поддерживать макроскопические квантовые состояния.В квантовой связи они используются в основном для однофотонных детекторов, квантовых воспоминаний и контурных QED-элементов.Беспотерянное распространение микроволновых сигналов в сверхпроводящих волноводах и резонаторах позволяет считывать низкий шум и связывать кубиты.

Высокотемпературные сверхпроводники

Обычные сверхпроводники, такие как ниобий, требуют криогенного охлаждения до температур около 4 К, что добавляет значительную стоимость и сложность. Высокотемпературные сверхпроводники (HTS), такие как оксид меди иттриевого бария (YBCO) и оксид меди стронция кальция висмута (BSCCO), могут работать при температурах жидкого азота (77 К) или даже выше. Это делает их привлекательными для систем квантовой связи, развернутых за пределами лабораторных условий. Недавний прогресс в эпитаксиальном росте тонкопленочной YBCO уменьшил потери микроволновой печи, что позволило изготовить высокочастотные резонаторы, работающие выше 20 К. Исследователи из Университета Штутгарта продемонстрировали сверхпроводящие нанопроводные однофотонные детекторы (SNSPD) на основе материалов HTS, которые достигают эффективности обнаружения выше 90% в ближней инфракрасной области, критическом диапазоне длин волн для волоконной QKD.

Несмотря на эти достижения, проблемы остаются. Материалы HTS демонстрируют анизотропию и гранулярность, которые могут вводить шум, и узор их в наноразмерные устройства требует тщательной оптимизации процесса. Текущая работа направлена на улучшение однородности пленки и уменьшение дефектов с помощью техники буферного слоя и методов импульсного лазерного осаждения. Разработка квантовых ретрансляторов на основе HTS и криогенных буферов памяти является активной областью исследования.

Джозефсон Джанкшнс и окружность QED

Джозефсоновские соединения являются строительными блоками сверхпроводящих кубитов и параметрических усилителей, используемых в квантовой связи. Путем сэндвичинга тонкого изолирующего барьера между двумя сверхпроводниками возникает нелинейная индуктивность, которая позволяет контролировать состояние кубита. Такие материалы, как алюминий-оксид алюминия-алюминий, являются стандартными, но в недавней работе были изучены нитрид ниобия и HTS-переходы для повышения рабочих температур. Для квантовой связи первостепенное значение имеют низкий фазовый шум и высокая когерентность. Интеграция параметрических усилителей Джозефсона со сверхпроводящими полостью позволила почти квантово-ограниченное считывание фотонных кубитов, улучшив соотношение сигнал-шум в квантовых системах распределения ключей.

Тонкая пленка осаждение и масштабируемость

Масштабирование сверхпроводящих компонентов от отдельных устройств до интегральных схем требует точного осаждения тонкопленочной пленки на участках в масштабе пластин. Такие методы, как эпитаксии молекулярного луча, распыление и осаждение атомного слоя, совершенствуются для получения однородных пленок с низкой плотностью дефектов. Способность монолитно интегрировать сверхпроводящие детекторы с фотонными волноводами на чипе является ключевой вехой в направлении компактных квантовых приемопередатчиков. Исследовательские группы в MIT и NIST продемонстрировали масштабируемое изготовление массивов SNSPD на кремниевых фотонных платформах, достигая дрожания времени ниже 50 ps и скорости темного подсчета до 1 Гц.

Двумерные (2D) материалы

Семейство двумерных материалов, характеризующихся атомарно тонкими слоями, удерживаемыми силами ван дер Ваальса, предлагает замечательные оптические и электронные свойства для квантовой фотоники. Их крайняя тонкость уменьшает объем режима фотонных структур, в то время как их сильное взаимодействие света и материи позволяет эффективно выпускать один фотон и нелинейные оптические эффекты. Кроме того, 2D-материалы могут быть уложены гетерогенно для создания дизайнерских квантовых систем.

графен

Графен, один слой атомов углерода, представляет собой полуметалл со сверхвысокой несущей подвижностью и широкополосным оптическим поглощением. В квантовой связи графен используется для высокоскоростных электрооптических модуляторов и однофотонных детекторов. Фотодетекторы на основе графена могут достигать полосы пропускания, превышающей 200 ГГц, что делает их пригодными для высокоскоростных QKD. Недавние работы продемонстрировали детекторы на основе графена с одним фотоном, которые работают на ближних инфракрасных длинах волн с высоким разрешением синхронизации, хотя в настоящее время они требуют криогенных температур. Совместимость графена с комплементарными процессами полупроводникового металла (CMOS) является значительным преимуществом для интеграции с классической управляющей электроникой.

Кроме того, графеновые плазмоны предлагают путь к глубокому субволновому ограничению света, позволяя ультракомпактные квантовые схемы. Исследователи показали, что графеновые наноленты могут содержать краевые плазмоны, которые сохраняют квантовую когерентность на микронных расстояниях, потенциально служа шиной для квантовой информации.

Переходные металлические дихалкогениды (TMD)

Монослойные TMD, такие как дисульфид молибдена (MoS2), дисульфид вольфрама (WS2) и диселенид вольфрама (WSe2), являются полупроводниками с прямым разрывом диапазона диапазона с сильным экситонным излучением. Они естественным образом содержат однофотонные излучатели на монослойных краях или на участках локализации, индуцированных штаммом, с длинами волн излучения, охватывающими видимое в ближний инфракрасный диапазон. Эти излучатели проявляют высокую яркость и неразличимость, критически важные для квантовой интерференции и замены запутанности. Источники однофотонного излучения на основе TMD работают при температурах до 10 К, и недавняя работа подтолкнула работу к диапазону жидкого азота с использованием тензоинженерии.

Еще одним уникальным свойством TMDs является поляризация долины, где степень свободы долины носителя может использоваться в качестве квантового бита. Оптически обращаясь к индексу долины, исследователи продемонстрировали кубиты на основе долины с длительным временем когерентности. Интеграция кубитов долины TMD с нанофотонными полостью позволила детерминировать генерацию одного фотона, что является ключевым требованием для масштабируемых квантовых сетей.

Гексагональный нитрид бора (hBN)

Гексагональный нитрид бора, изоляционный 2D-материал, содержит множество атомных дефектов, которые действуют как яркие, стабильные однофотонные излучатели на ультрафиолетовых, видимых и ближних инфракрасных длинах волн. Эти излучатели могут быть созданы путем электронного облучения или ионной имплантации, что позволяет детерминированное позиционирование. В отличие от TMD, излучатели hBN работают при комнатной температуре, резко упрощая сложность системы. Квантовые системы связи, построенные из hBN, исследуются для свободных космических QKD-связей, где портативность и надежность необходимы. Недавние исследования сообщают о скорости подсчета фотонов, превышающей 106 граф в секунду с анти-перебиванием g(2)(0) ниже 0,1, подтверждая чистоту одиночного фотона.

Продемонстрирована интеграция излучателей hBN с кремниевыми фотонными волноводами и кольцевыми резонаторами, позволяющими на чипе маршрутизировать квантовый свет. Однако контроль длины волны излучения и уменьшение спектральной диффузии остаются проблемами. Для преодоления этих ограничений разрабатываются такие методы, как настройка напряжения и локальное применение электрического поля.

Проблемы интеграции 2D-материалов

В то время как 2D-материалы предлагают исключительную производительность, их крупномасштабная интеграция в компоненты квантовой связи сталкивается с препятствиями. Методы передачи, такие как механическое отшелушивание и химическое осаждение паров (CVD), производят хлопья с различным качеством и размером. Хотя CVD может выращивать монослои в масштабе пластин, поликристалличность и дефекты ухудшают производительность устройства. Предпринимаются усилия по улучшению однородности роста и разработке автоматизированных методов сухой передачи. Кроме того, инкапсуляция 2D-материалов в hBN или предотвращение деградации окружающей среды имеет решающее значение для долгосрочной стабильности.

Топологические изоляторы

Топологические изоляторы (ТИ) представляют собой класс материалов, которые изолируют в своей массе, но проводят электричество через топологически защищенные поверхностные состояния. Эти поверхностные состояния невосприимчивы к обратному рассеянию от немагнитных примесей, что делает их привлекательными для поддержания квантовой когерентности. Для квантовой связи ТИ могут служить пассивными оптическими компонентами, такими как модеселективные соединители и изоляторы, или активными элементами, такими как однофотонные детекторы.

Материальные платформы: Bi2Se3, Bi2Te3 и Sb2Te3

Наиболее изученными топологическими изоляторами являются селенид висмута (Bi2Se3), теллурид висмута (Bi2Te3) и теллурид сурьмы (Sb2Te3). Эти материалы имеют полосы около 0,3 эВ, что позволяет осуществлять оптические переходы в инфракрасном диапазоне. Их поверхностные состояния демонстрируют дисперсию дирак-конусов, что приводит к высокой подвижности носителей и низкой эффективной массе. Эксперименты показали, что наноленты Bi2Se3 могут содержать квантованные плато проводимости, указывающие на прочные топологические каналы. В фотонике TIs могут использоваться для создания фазовых сдвигателей и направленных соединителей, которые нечувствительны к несовершенствам изготовления, повышая надежность квантовых оптических схем.

Топологически защищенные кубиты

Надежность поверхностных состояний также предполагает возможность топологически защищенных кубитов, где квантовая информация хранится в паритете режимов Majorana zero. В то время как исследования Majorana сосредоточены на полупроводниково-суперпроводниковых гибридных системах, топологические изоляторы в паре со сверхпроводниками также могут принимать режимы Majorana. Эти кубиты будут по своей сути защищены от локального шума, потенциально превышающего время когерентности обычных сверхпроводящих кубитов. Для квантовой связи такие кубиты могут использоваться в качестве квантовых ретрансляторов или в качестве интерфейсов между фотонными и материальным кубитами.

Проблемы в интеграции и росте

Практическое развертывание топологических изоляторов в устройствах связи требует высококачественных тонких пленок с низкой объемной проводимостью. Навалочные дефекты часто способствуют параллельным проводящим путям, маскирующим поверхностные состояния. Эпитаксии молекулярного луча достигли пленок с подавленной объемной проводимостью путем компенсации дефектов, но масштабируемость ограничена. Недавний прогресс с использованием топологических полуметаллов Дирака и топологических кристаллических изоляторов может предложить альтернативные пути с лучшими транспортными свойствами. Кроме того, взаимодействие TI со стандартными фотонными платформами, такими как кремний или ниобат лития, остается нетривиальным из-за решетки и теплового несоответствия.

Системы на основе дефектов: алмазный и силиконовый карбид

Дефекты атомного масштаба в полупроводниках с широким диапазоном пропускания стали ведущими кандидатами на квантовые воспоминания и ретрансляторы. Центр азот-вакансия (NV) в алмазе является наиболее зрелой платформой, но цветовые центры в карбиде кремния (SiC) и других материалах набирают тягу из-за их совместимости с производством полупроводников.

Центры азот-вакансия (NV) в алмазе

NV-центры в алмазе представляют собой точечные дефекты, состоящие из замещающего атома азота, примыкающего к месту вакантной решетки. Они имеют длительные времена когерентности спина электрона (до миллисекунд при комнатной температуре) и оптической адресности, что делает их идеальными для квантовой памяти в квантовых ретрансляторах. Состояние спина NV-центра может быть запутано фотоном, что позволяет квантовой связи на большие расстояния посредством переключения запутанности. Недавние эксперименты продемонстрировали квантовые ретрансляторы на основе NV, которые продлевают расстояния запутанности до нескольких километров в волокне.

К числу проблем относятся низкая доля оптически эффективных НВ-центров (пригодны только около 3-5% созданных центров) и трудности с производством алмазных пластин большой площади. Работа по имплантации алмазов и ионов с химическим паром с последующим отжиганием улучшила выход. Интеграция НВ-центров с фотонными волноводами и полостью в алмазе произвела на чипе квантовую память со временем хранения, превышающим секунды.

Цветовые центры в карбиде кремния (SiC)

SiC — это зрелый полупроводник с хорошо налаженными процессами изготовления. Несколько цветовых центров, таких как кремниевые вакансии (VSi) и дивакантные (VV) центры, проявляют аналогичные свойства с NV центрами, но с длинами волн излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (около 900-1100 нм), который выравнивается с окнами передачи волокон O-диапазона. VSi центры в 4H-SiC показали время когерентности спина в несколько сотен микросекунд при 5 К и фотостабильном излучении. Поскольку SiC уже используется в силовой электронике, потенциал для интеграции квантовых компонентов с классической управляющей электроникой на одном чипе высок.

Недавние демонстрации включают в себя однофотонные излучатели в SiC при комнатной температуре, хотя когерентность спина в настоящее время ограничена криогенными условиями. Исследователи изучают изотопную очистку для снижения шума ядерного спина, стремясь к работе при комнатной температуре. волноводы SiC и микрокольцевые резонаторы были использованы для повышения эффективности сбора излучаемых фотонов, что является важным шагом для создания эффективных квантовых сетевых узлов.

Редкие-земные-легированные кристаллы

Другой класс дефектных систем опирается на редкоземельные ионы (например, эрбий, неодим, празеодим), встроенные в кристаллические хосты, такие как иттрий ортосиликат (Y2SiO5) или ниобат лития. Эти материалы демонстрируют узкие оптические ширины и длинную спиновую когерентность при криогенных температурах, что делает их пригодными для квантовой памяти. В частности, легированные эрбием материалы излучают при 1,55 мкм, диапазон телеком-C, что позволяет напрямую интегрироваться с существующей волоконной инфраструктурой. Недавние прорывы продемонстрировали время хранения квантовой памяти в несколько миллисекунд с эффективностью выше 50% в редкоземельных легированных волноводах.

Производство редкоземельных тонких пленок с высоким оптическим качеством и низким фоновым шумом остается сложной задачей. Ионная имплантация и методы допинга совершенствуются для достижения равномерного допинга без ухудшения кристалла-хозяина. Сочетание редкоземельных допантов с фотонными кристаллическими полостью создало устройства, которые могут хранить и извлекать одиночные фотоны по требованию.

Квантовые точки

Эпитаксиально выращенные полупроводниковые квантовые точки (QD) являются одними из наиболее эффективных источников однофотонных, демонстрирующих эффективность вблизи единицы, неразличимость и высокую степень запутанности. Наиболее широко используются QD-диоды на арсенид галлия (GaAs), испускающие на длинах волн около 900-950 нм. Передовые оптические конструкции, такие как полости микростолбцов и решетки бульсеев, повышают эффективность извлечения фотонов до более чем 90%.

Для квантовой связи способность производить неразличимые фотоны имеет важное значение для интерференции Хонг-У-Манделя и замены запутанности. Современные QD могут достигать двухфотонной интерференционной видимости выше 98%. Кроме того, QD могут использоваться для генерации запутанных фотонных пар через каскад биэкситон-экситон, обеспечивая детерминированный источник поляризованных фотонов. Недавние работы продемонстрировали генерацию на чипе состояний Белла с высокой точностью.

Основным ограничением QD является необходимость криогенной работы (обычно ниже 10 К) и статистического распределения длин волн излучения из-за изменений роста. Пост-ростовая настройка через деформационные или электрические поля и методы, такие как резонансная флуоресценция, используются для решения отдельных QD. Интеграция QD с кремниевыми фотонными цепями является активной областью, с прогрессом в трансферной печати и вафельной связи.

Фотонные кристаллы и метаматериалы

Фотонные кристаллы и метаматериалы не являются материалами как таковыми, а инженерными структурами, которые контролируют свет в субволновом масштабе. Они необходимы для усиления взаимодействия света и материи в компонентах квантовой связи. Фотонные кристаллические полости могут ограничивать свет объемом режима (λ/2)3, повышая спонтанную скорость излучения встроенных квантовых излучателей через эффект Перселла. Это позволяет быстрее, ярче однофотонных источников.

Метаматериалы с с учетом дисперсии, такие как гиперболические метаматериалы, могут направлять квантовые состояния с экстремальной анизотропией. Они исследуются для широкополосного однофотонного обнаружения и сверхпланковского радиационного теплопередачи в квантовых воспоминаниях. Интеграция метаматериалов с активными материалами, такими как квантовые точки или цветовые центры, остается проблемой из-за потерь поглощения и сложности изготовления. Однако достижения в нанотехнологии, включая двухфотонную литографию и осаждение атомного слоя, позволяют реализовать сложные геометрии.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на впечатляющий прогресс, новые материалы сталкиваются с несколькими общими проблемами, которые необходимо решать для реализации практических компонентов квантовой связи. Стабильность материала в эксплуатационных условиях - будь то криогенная или комнатная температура - является основной проблемой. Многие 2D-материалы и центры дефектов страдают от дрейфа в длине волны излучения или когерентности спина с течением времени. Масштабируемые процессы изготовления, которые обеспечивают согласованную производительность устройства-устройства, все еще находятся в разработке. Интеграция разрозненных материальных платформ (суперпроводники, 2D-материалы, алмаз и т. Д.) в монолитную фотонную цепь является серьезной проблемой интеграции материалов, требующей тщательного согласования решеток, управления температурой и интерфейсов с низкими потерями.

Будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на гибридных системах, которые используют сильные стороны нескольких материалов. Например, сочетание быстрого сверхпроводящего детектора с долгоживущей редкоземельной памятью может обеспечить эффективные квантовые повторители. Аналогичным образом, гетероструктуры Ван-дер-Ваальса - укладка различных 2D-материалов - предлагают возможность с нуля разрабатывать пользовательские электронные и оптические свойства. Машинное обучение и высокопроизводительный вычислительный скрининг ускоряют открытие новых материалов с индивидуальными квантовыми свойствами, такими как излучатели нулевой фононной линии с почти идеальной эффективностью.

Развитие квантовых излучателей комнатной температуры остается ключевой целью, поскольку криогенная инфраструктура часто является основным барьером для развертывания. hBN и некоторые перовскитные нанокристаллы показывают перспективы в этом направлении. В то же время достижения в миниатюризации криокулера могут уменьшить влияние низких температур. Сближение квантовой связи с классическими телекоммуникациями - особенно за счет использования методов преобразования частоты, которые соединяют видимые квантовые излучатели с фотонами телеком-диапазона - будет полагаться на новые нелинейные оптические материалы.

Наконец, сообщество продвигается к демонстрациям на системном уровне, таким как многоузловые квантовые сети в мегаполисах. Эти тесты способствуют зрелости материальных платформ, выявляя режимы отказа и узкие места производительности. С продолжающимися инвестициями в материаловедение и квантовую инженерию видение безопасного глобального квантового интернета неуклонно становится все более ощутимым.

Внешние ресурсы, обеспечивающие дополнительную глубину, включают обзоры сверхпроводящих квантовых устройств , , двумерных материалов для квантовой фотоники и дефектных центров для квантовых сетей . Обновления стратегий интеграции материалов можно найти через гибридные фотонные платформы . Профессиональные общества, такие как Американское физическое общество также предоставляют материалы конференций и текущие исследования.