В очень скором будущем традиционные системы вычислений и телекоммуникаций будут заменены квантовыми. С точки зрения физики это означает применение эффектов, открытых буквально в последнее столетие: квантование энергии электронов, запутывание фотонов, суперпозиция состояний частиц и др. С практической точки зрения важно то, что такие системы будут невероятно быстрыми и неуязвимыми для взломщиков: квантовые компьютеры, объединённые сетями квантовой связи, будут представлять собой новую всемирную паутину - квантовый интернет.

«Несмотря на колоссальные скорости вычислений современных компьютеров, они оказываются на порядки ниже, чем потенциальные скорости квантовых вычислений, которые дают возможность моделировать поведение сложных биологических и физических систем, например, для создания новых лекарственных препаратов или проектирования масштабных нейронных сетей. Кроме того, квантовые компьютеры способны взламывать современные криптографические системы и перехватывать защищённые сигналы, в ответ на что требуется своевременная разработка принципиально невзламываемых каналов квантовой связи. Эти же каналы связи, вместе с системами квантовой памяти, нужны для объединения квантовых компьютеров в единые сети», - пояснил доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ Сергей Балакирев.

По словам ученых, в качестве базовых элементов передаваемых сигналов и единиц квантовой информации служат одиночные и так называемые запутанные фотоны, для генерации которых требуются соответствующие высокотехнологичные излучатели. Изготовить их возможно на основе квантовых точек - фрагментов полупроводникового материала с линейным размером в несколько нанометров. Однако получить квантовые точки такого малого размера удаётся при условиях, при которых их поверхностная плотность очень высока, то есть они расположены очень близко друг к другу. Для применения же в технологиях квантовой обработки информации нужны одиночные квантовые точки, которые можно изолировать и использовать каждую в отдельном устройстве.

Учёным Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ удалось разработать инновационную методику формирования квантовых точек, которая позволяет обеспечить одновременно и их низкую плотность, и малый размер.

«Нам понадобилось провести много, как нам казалось, безуспешных экспериментов, прежде чем мы научились управлять эффектом распада капель под влиянием ультрамалого потока мышьяка. Теперь мы можем задавать требуемую плотность квантовых точек, а затем регулировать их размер, определяющий характеристики будущего излучателя фотонов. Благодаря этому повышается точность и скорость передачи сигнала по квантовому каналу. Также важно, что наша методика лежит в рамках традиционной полупроводниковой технологии, что упрощает переход к серийному производству и масштабированию квантовых систем», — отметил Сергей Балакирев.

Для реализации эксперимента учёные использовали сверхвысоковакуумную установку, в которой путём нагрева источников с ультрачистыми материалами на подложку наносится заданное число атомов (индия и мышьяка), впоследствии организующихся в квантовые точки, обладающие требуемыми оптическими свойствами.

Учёные поясняют, что их методика основана на двухэтапном воздействии потока мышьяка на капли индия, в результате которого низкоплотные капли повышенного размера трансформируются в полупроводниковые квантовые точки арсенида индия требуемого (малого) размера. Данное исследование поможет продвинуть научное сообщество в сторону реализации высокоэффективных источников одиночных и запутанных фотонов, реализованных на основе изолированных одиночных квантовых точек в рамках традиционной полупроводниковой технологии.

«Мы понимаем, что несмотря на достигнутый успех впереди ещё много работы, связанной с отработкой технологических режимов, позволяющих достичь совокупности оптимальных оптических характеристик структур с квантовыми точками, чем и планируем заниматься в дальнейшем», - подчеркнул Сергей Балакирев.

Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (грант №19-79-10099). Первые результаты уже опубликованы в журнале Applied Surface Science: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152023, который входит в первую двадцатку лучших журналов в мире в области материаловедения, покрытий и пленок.