基于金刚石的光源将打下基础量子通信的未来

德米特里 · 费佳宁从莫斯科物理研究所和技术和马里奥贴水从锡根大学和镜头预测人工金刚石晶体中的缺陷可以变成 ultrabright 和效率极高的电驱动量子发射器。他们在新物理学期刊 》 上发表的工作演示为大量的技术突破，包括量子计算机和安全通信线路，其中，与先前提出的方案，将能够在室温下操作的发展潜力。

德米特里 · 费佳宁和马里奥贴水进行研究的重点发展高效电驱动单光子源 — — 发射单光子时应用电流的设备。换句话说，使用这种设备，一个可以生成一个光子”按需”跨设备只需申请一个小的电压、 零光子输出的概率几乎为零和同时代的两个或更多的光子是根本不可能。

直到最近，它被认为量子点 （半导体纳米粒子） 是真正的单光子源最有希望的候选人。然而，它们只能在非常低的温度，这就是他们的主要缺点 — — 大规模应用不可能如果一个设备具有与液态氮或更冷液氦冷却或使用制冷机组，更加昂贵，而且渴望权力。同时，众所周知某些点缺陷晶格的钻石，在发生时 （例如硅或氮） 外国原子进入钻石不小心或通过有针对性的植入，可以有效地发出单光子在室温。然而，这只取得了这些缺陷，使用外部的高功率激光器的光激发的。此方法是理想的科学的实验室，研究，但它是实际的装置效率很低。实验与电励磁，另一方面，没有屈服最好的结果 — — 在亮度，失去了明显 （由几个数量级） 对量子点的钻石来源。没有理论描述光子发射从电气激励下钻石颜色中心，实在不可能来评估这些单光子源的潜力，看看是否可以用作为未来量子器件的基础。

新的发布给出了肯定的回答 — — 缺陷结构的原子级别的钻石可以用于设计高效率是基于量子点的同行相比更有前途的单光子源。

在单操作？ 光子水平不只会增加现有的数据处理和数据传输设备的能源效率不止一千次，但亦会敷设的新型量子器件发展的基础。构建量子计算机仍然是前景的展望，但基于量子密码的安全通信线路已经开始使用。然而，今天他们不使用真正的单光子源;相反，他们依靠什么被称为减毒的激光器。这意味着，不仅有高概率的零光子送入通道，大大降低了数据传输的速度，但也是高概率的同时发送两个、 三个、 四个或更多的光子。一个可以拦截这些”额外”的光子和发件人和收件人都不会知道这一点。这使得通信信道容易被窃听和量子密码术失去其主要的优势 — — 针对所有类型的攻击的基本安全。

对于量子计算，还必须有能力操纵单个光子。光的量子可以用来表示量子比特-量子信息处理的基本单位 — — 这是两个或多个量子态的叠加态。例如，量子比特可以在单个光子偏振编码方式。光学的量子计算模式的优势是那个可以以本机方式结合量子通信与量子计算和设计高性能、 大和可扩展量子超级计算机，这是不可能做到使用其他的物理系统，超导电路或离子阱。

德米特里 · 费佳宁和马里奥贴水是第一次成功揭示的钻石颜色中心电致发光的机理和发展理论的框架，将其量化。他们发现的颜色中心并不是所有国家的问题，可以尽管事实上，他们可能”访问”光激励下电，都兴奋。这是因为根据光学抽像孤立的原子或分子 （如氢或氦气），几乎无需交互与金刚石晶体的缺陷。电励磁，另一方面，基于缺陷和金刚石晶体之间的电子交换。这不仅带来的限制，而且还开辟了新的可能性。例如，研究者发现，存在一定的缺陷可以发出连续两个光子在两个不同的波长，从两个不同的电荷态在单一的电致发光过程的行为。此功能可能会导致一类从根本上新的只是忽略了之前因为这些过程是不可能的颜色中心的光激发的量子器件的发展。但最重要的研究结果是，研究人员发现为什么从颜色中心高强度单光子发射了下观察不到电泵浦。为此原因是钻石的兴奋剂，磷，不能提供足够高的金刚石中的传导电子密度技术上复杂的过程。

计算结果表明，使用现代的掺杂技术有可能打造明亮的单光子源排放率为每秒室温超过 100,000 光子。它是真正了不起的是，排放率仅随设备温度上升的实现超过 1 亿的光子每秒在 200 摄氏度。”我们的单光子源是一数，如果不是唯一的光电设备，应以提高其性能，加热和改善的效果是高达三个数量级。德米特里 · 费佳宁从实验室的纳米光学和表面电浆子在理工学院说︰ 通常情况下，电子和光学器件需要通过附加散热器和球迷，或把它们放在液态氮冷却”。据他说，钻石掺杂的技改将进一步增加亮度 10-100 倍。

1 亿光子是很低的家庭光源相比 (例如一个正常的灯泡发出超过 10 ^18 光子每秒)，但应该强调的是光子的整个流程由一个很小 (~ 10 ^-10 米的大小) 晶格的钻石，和与一个灯泡，光子遵循严格一点后其他不同的缺陷。对于上面提到的量子计算机，每秒约 1 万光子就够 — — 开发量子计算机的可能性目前限制由完全不同的因素。然而，量子通信线路，使用电动金刚石单光子源将不仅保证绝对的安全，而且将也大大增加信息的传递速度相比伪单光子源的基础减毒激光器今天使用。