Интегральные однофотонные источники света с мультиплексированием

Одной из актуальных проблем современной квантовой оптики и информатики, решение которой необходимо для широкого внедрения квантовых криптографических сетей, реализации оптических квантовых компьютеров, а также для проведения поисковых исследований, является проблема создания эффективных источников однофотонных состояний света [1-4]. В частности, высококачественные однофотонные источники необходимы для реализации эффективных протоколов дальнодействующей квантовой связи, использующих квантовые повторители [5, 6]. Внедрение последних позволит преодолеть существующий предел радиуса действия квантовой сети (порядка 100 км) и создать, в результате, квантовый Интернет, обладающий безусловной стойкостью. Кроме того, такие источники необходимы для реализации аппаратно-независимой квантовой криптографии (см., например, [7]) и линейных оптических квантовых вычислений [8]. Перспективным подходом к решению проблемы является создание однофотонных источников на основе нелинейных оптических явлений с использованием интегральных оптических схем (фотонных чипов) [9, 10]. В настоящее время активно ведутся исследования процесса генерации однофотонных состояний в режиме спонтанного параметрического рассеяния [11-16] и четырехволнового смешения [17-19] в нелинейных волноводах. Возможность объединения в одном чипе параметрического рассеяния и полупроводникового лазера накачки была недавно продемонстрирована в работе [20]. Более сложный вариант, подразумевающий объединение на одном чипе процессов генерации и детектирования однофотонных состояний, позволяет реализовать мультиплексирование нескольких источников [21]. Использование фотонных чипов позволит, с одной стороны, добиться максимальной эффективности и детерминированности однофотонного источника с оповещением (heralded single-photon source), а с другой – создать эффективные источники многофотонных состояний. В целом, объединение на одном фотонном чипе генераторов и детекторов квантовых состояний света, а также линейных оптических элементов, является необходимым этапом создания масштабируемых оптических квантовых компьютеров [22,23] и актуальным направлением развития современной квантовой оптики [24].