ИСТОЧНИК-НАНОЯЧЕЙКА ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ И ИСТОЧНИК ОДИНАКОВЫХ ФОТОНОВ Российский патент 2024 года по МПК H01L29/78 B82B3/00 

Изобретение может быть использовано для разработок фотонных компьютеров и систем передачи информации в условиях криптографии и телепортации.

Поясняющая часть

В последние годы проявляется повышенный интерес к одному из предсказанных в первой трети прошлого века явлений - квантовой запутанности. За эксперименты с явлениями запутанности в 2022-м присуждена Нобелевская премия. Постановочно экспериментальные работы были начаты нобелевскими лауреатами в начале 80-х годов. Уже в текущем веке были проведены работы, благодаря которым квантовая запутанность из мысленного эксперимента стала физической реальностью. В виде запутанности квантовая механика предлагает ресурсы, отсутствующие в классических системах, и их использование может преодолеть ограничения в информационных технологиях и традиционной передачи информации - сверхбыстрых вычислений, криптографии, информационной телепортациии [1, 2].

В большинстве экспериментов в качестве запутанных частиц используются фотоны. Это объясняется относительной простотой их получения и передачи в детекторы, а также дуальной или бинарной природой измеряемого состояния (положительная или отрицательная спиральность, например). Однако, формирование одиночных фотонов в реальном времени остается проблемой из-за слабых связанных сигналов. Одними из путей ее преодоления являются использование стимулирующего лазерного излучения [3], контролируемого комптоновского предварительного рассеяния начальных фотонов перед поляризационными измерениями [4], параметрического преобразования с понижением частоты в нелинейных оптических кристаллах [5]. Как правило, в работах используется поляризационный светоделитель, законы квантовой вероятности, статистической корреляции и аргумента запутанности с целью вычислений неравенств Белла [6].

Физический смысл этих методов, на самом деле, состоит в том, чтобы в реальном времени создать пары одиночных одинаковых фотонов и провести одновременные измерения коррелированности (спутанности, запутанности) их параметров в условиях изменений на одном из их пары. Но есть другой путь решения проблемы - использование источников одиночных фотонов, однофотонных излучателей с ультракороткими (фемтосекундными) временными интервалами. Такими источниками могут быть наночастицы в соответствующих для этого условиях.

В последние годы некоторыми учеными проводились исследования этого варианта с использованием квантовых точек, когда запутанные пары фотонов могут излучаться через биэкситон-экситонный каскад, благодаря чему можно добиться высокой чистоты состояний, если тонкая структура экситонов достаточно слабо расщеплена [7].

На самом деле, явление квантовой запутанности присуще состояниям квантовомехаических частиц, каковым в данном случае является электрон. Излучаемый им фотон лишь несет информацию о его состояниях. При этом не любые состояния электрона могут быть подвержены запутанности. Для того чтобы вычленить информацию именно о запутанных состояниях, исследователи проводят манипуляции с исходными фотонами лазерного излучения, указанные выше, или, например, максимально укорачивая временной интервал излучения. Все эти манипуляции, как бы, превращают многофотонное излучение в однофотонное. Тогда, на самом деле, решение проблемы состоит в прямом получении однофотонного излучения из состояний одноэлектронного транспортного квантового процесса. В связи с этим нами рассматривается вариант получения запутанных одноэлектронного и однофотонного состояний в квантоворазмерном нанокристалле узкозонного полупроводника с самыми лучшими параметрами размерного квантования, например, антимонида индия.

Явление запутанности присуще состояниям электрона, передаваемым в свойствах излученным им фотонов. Электрон, как квантовомеханическая частица, постоянно находится в движении и излучает фотоны в зависимости от того, как он движется. В кристаллической структуре квантоворазмерного нанокристалла электрон движется резонансно, проявляя свойства квантового осциллятора и испуская параметрированное микроволновое излучение. При этом его движение пространственно (структурно, геометрически) является сложным и, в связи с этим, запутанным.

На фиг. 1 фрагментарно отображены некоторые возможные варианты движения электрона в квантоворазмерном нанокристалле (QNC). Находясь в нанокристалле, электрон, в модели квантовой частицы, движется между его границами по атомным орбиталям, отображенным на фиг. 1 большими окружностями. На этих орбиталях он квазисвободен и имеет спин. Возможны варианты его движения - А-В-С, A-D-C и некие другие, более сложные. Кроме того, плоскость движения может менять угол своего расположения. Все это и определяет неопределенность (спутанность, запутанность) состояний при движении электрона. Но, однако, резонансный характер движения определит выбор его пути в пользу минимальной по размеру кривой. То есть, можно предположить, что он будет двигаться по кривой А-В-С. Такое состояние можно назвать частичной, ограниченной запутанностью - квазизапутанным.

Резонансный характер движения электрона в QNC обусловлен дебройлевским волновым процессом и отражениями волн от кристаллографических плоскостей и границ нанокристалла. Процесс транспорта является одноэлектронным с проявлениями квантовых проводимости и осцилляций, а электрон-фотонное взаимодействие и генерация - однофотонными [8, 9].

На определенных участках этого движения электрон испытывает торможение (точки О₁ и O₂), излучая фотон с определенными специфическими свойствами электромагнитной волны. Физическая суть явления, на наш взгляд, в этом случае состоит в том, что электрон в нанокристалле, осциллируя резонансно во времени и пространстве, создает однофотонное (точнее, по-фотонное) излучение с почти нулевыми временными интервалами и с жестко фиксированными параметрами (частота, поляризация, когерентность, фазовые соотношения и, возможно, что-то еще). Такое излучение, скорее всего, взаимодействует только с электроном в том же состоянии, что и излучивший, то есть с точно таким же нанокристаллом. При этом неопределенность и запутанность выразятся в статистической разнице заданных технологически свойств нанокристалла и квантовомеханических состояний электрона в нем. Найти два абсолютно одинаковых нанокристалла если и возможно, то только статистически на большом количестве нанокристаллов случайной выборки. В этом случае должно проявиться взаимодействие двух одинаковых образцов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и лишенных всякого влияния очевидного характера - электрического и электромагнитного-волнового.

Аналоги и прототип

Известно большое число патентов с техническими решениями по созданию запутанных фотонов, например, следующие: RU 2554615: Способ генерации пространственных состояний Белла - угловой спектр генерируемого оптического двухфотонного излучения меняют в зависимости от пространственного профиля изменения интенсивности лазерной накачки. US 897434; JP 3649408: Полностью оптоволоконный источник квантово-коррелированных и/или запутанных пар фотонов с использованием параметрической флуоресценции в волоконной петле Саньяка. US 7683361: Метод генерации квантово-запутанной пары фотонов - биэкситон в таком состоянии, когда угловой момент равен 0, генерируется посредством двухфотонного резонанса, индуцированного облучением полупроводникового вещества, например CuCl, двумя родительскими фотонами. WO 2010140661 A: Генератор квантово-запутанных фотонных пар состоит из нелинейного оптического кристалла и генерирует пары фотонов, запутанных по поляризации, мультиплексированных но длине волны посредством фазового синхронизма типа II относительно света накачки. WO 2009093391 A: Устройство генерации невырожденных поляризационно запутанных пар фотонов состоит из монокристалла, в котором структуры формируются с разными периодами друг от друга. ЕР 2137573 А1: Генерация пар квантово-коррелированных и/или поляризационно запутанных фотонов с неравными длинами волн.

Для всех этих патентов характерными являются те или иные преобразования «обычных» фотонов в запутанные. Такие процессы связаны со сложными физическими и математическими преобразованиями и использованием сложной техники. В связи с этим варианты получаются громоздкими и дорогими, что значительно ограничивает применение.

Известны патенты с решениями прямого (непосредственного) получения запутанных фотонов, например, следующие: US 20110108744 A1: PHOTON SOURCE FOR PRODUCING ENTANGLED PHOTONS (Источник фотонов для создания запутанных фотонов) [10]. ЕР 21960083: В устройстве квантовой запутанности имеется полупроводник IV группы (S, S1, S2) и элемент квантовой запутанности (SQE), состоящий из по меньшей мере одного атома на поверхности указанного полупроводника. US 9470956: Устройство и способ генерации триплетных фотонов - встроенные в кристалл источники для генерации прямых триплетно-запутанных фотонов. CN 115327834 A: Твердотельный метод генерации коррелированных фотонных пар и твердотельное устройство для генерации коррелированных фотонных пар.

Общим недостатком этих патентов является неадекватность методов - получение тонких квантовых свойств в неквантовых структурах, что приводит к снижению их определенности и ограничению применений.

Наиболее близким (прототипом) к заявленному является патент US 20110108744 A1: PHOTON SOURCE FOR PRODUCING ENTANGLED PHOTONS (Источник фотонов для создания запутанных фотонов) [10]. Суть этого изобретения состоит в следующем: Источник фотонов, содержащий: квантовую точку; электрические контакты, выполненные с возможностью приложения электрического поля к указанной квантовой точке, электрический источник, подключенный к указанным контактам - такой, что носители подаются в указанную квантовую точку, чтобы сформировать биэкситон, при этом указанный источник фотонов дополнительно содержит барьер, выполненный с возможностью увеличения времени и использования носителя заряда для туннелирования к указанной квантовой точке или от нее, чтобы быть больше времени жизни экситона в квантовой точке, причем квантовая точка пригодна для излучения запутанных фотонов при распаде биэкситона.

Судя по описанию патента-прототипа, «рабочая» зона прибора представляет собой многослойную наноструктуру планарно-вертикальной архитектуры, в которой «замурована» квантовая точка с размерами примерно 10 нм. В такой квантовой точке, также как и в обычной наночастице, происходит обычная люминесценция по экситонной схеме излучения. Проявление запутанности состояний в структуре с такими размерными параметрами и предлагаемыми в патенте полупроводниками (арсенид галлия) с плохими параметрами размерного электронного ограничения является сомнительным. Кроме того, сама структура требует сложной технологии ее изготовления.

Предлагаемый в нашей заявке вариант преодолевает все указанные выше недостатки благодаря использованию квантоворазмерного нанокристалла и относительно простой структуры и технологии изготовления его носителя - наноячейки [11].

Описание изобретения

Структура источника-наноячейки изображена на фиг. 2, где: 1 - диэлектрическая подложка; 2 - выполненные на ней электрические контакты с нанозазором 3, в котором расположен квантоворазмерный нанокристалл 4 узкозонного полупроводника. Электрические контакты образуют межэлектродный нанозазор размером 5-15 нм. Электроны проводимости подаются полевой эмиссией из электрического контакта в нанозазор и последующей их инжекцией в нанокристалл. Электронные состояния обуславливаются движением электрона в нанокристалле как глубокой протяженной квантовой яме с физическими процессами квантовых проводимости и электронных осцилляций. Квантовый электронный осциллятор является источником одиночных суперкоротких фотонов параметрированного электромагнитного излучения.

Структура действует следующим образом. При подаче напряжения V на электрические контакты 2 из того из них, к которому приложен «минус» потенциала, происходит полевая (автоэлектронная) эмиссия электрона в нанозазор 3 и последующая его инжекция в нанокристалл 4. Электрон после своего движения в нанокристалле путем туннельной эмиссии совершает перескок из него в электрический контакт с положительным потенциалом.

Определяющими физическими проявлениями, происходящими в самом нанокристалле, как глубокой протяженной квантовой яме, являются электронные проводимость и осцилляции [12]. При этом проводимость рассматривается в модели одномерной глубокой протяженной квантовой ямы с проявлениями в ней одномерного одноэлектронного движения, описываемого решением уравнения Шредингера и дебройлевским волновым процессом. Значения энергии электрона определяются резонансом электронного волнового процесса и рассчитываются в зависимости от типа полупроводника (значений эффективной массы электрона т) и размеров нанокристалла _.Формулы для полной энергии и вероятности K* прохождения электрона через нанокристалл могут быть получены в следующем виде [12]:

где: h - постоянная Планка, m₀ - масса «покоя» электрона, q - квантовое число, - кинетическая энергия электрона; - безразмерный параметр, зависящий от напряжения (разности потенциалов) V; V - в электронвольтах, - в нанометрах.

Формулу для вольтамперной характеристики (ВАХ) можно записать, исходя из формул (1) и (2), в следующем виде:

Как следует из формулы (3), условием квантового резонанса проводимости является V*~0, то есть - что приводит к нормировочному для энергии электрона (напряжения) соотношению:

В формуле (4) коэффициент 0.37 получен из формулы (1) и отражает соотношения единиц измерений с условиями того, что энергия (и напряжение) - в электронвольтах, а размеры - в нанометрах.

Таким образом, в квантоворазмерном нанокристалле электронные состояния обуславливаются одноэлектронным транспортом в нанокристалле как глубокой протяженной квантовой яме с физическими процессами квантовых проводимости и осцилляций и нормировкой состояния квантового резонанса формулой (4). При этом состояния электрона при его транспорте в квантоворазмерном нанокристалле благодаря квантованию энергии и импульса являются неопределенными (спутанными, запутанными), а излучаемые благодаря электронным осцилляциям фотоны в своих свойствах отражают эту неопределенность (спутанность, запутанность).

Способ применения

В состояниях осцилляций электрон колеблется на ограниченном отрезке оси х вдоль поля F_x с частотой (е - заряд электрона) [12]. Интервалы колебаний a_x лежат от размера нанокристалла a_n до постоянной решетки a₀ полупроводника. Принимая, что поле в нанокристалле однородно и равно отношению напряжения V к размеру a_n , можно оценить временные интервалы одноэлектронной осцилляции, которые получаются менее 10^-12 с (фемтосекунды). Это означает, что однофотонное излучение квантового одноэлектронного осциллятора будет иметь временные интервалы менее 10^-12 с и, всем этим, соответствовать состоянию запутанности.

Одноэлектронный квантовый характер состояний определяет их квантовую идентичность в одинаковых нанокристаллах, благодаря чему их однофотонное ультракороткое излучение способствует коррелированности (спутанности, запутанности) пар. И вопрос сводится к тому, чтобы найти пары абсолютно одинаковых нанокристаллов. В данном рассматриваемом случае эта задача соответствует нахождению одинаково расположенных резонансных пиков на вольтамперных характеристиках (ВАХ) нанокристаллов. Сделать это возможно только с некоторой, близкой, правда, к единице, вероятностью по той причине, что резонансные пики имеют некоторую форму и неопределенность (размытость) точки на ВАХ. Поэтому решение этой задачи, на самом деле, возможно только статистическим методом.

Для этого необходимо провести измерения резонансной точки (напряжения) на ВАХ определенного количества N случайной выборки нанокристаллов одной технологической партии и провести статистический анализ параметров распределения - найти среднее значение и дисперсию. Принципиально важными в этом случае будут технологическое распределение нанокристаллов по их размерам и способ сортировки при их нанесении на наноструктуру прибора. При этом необходимо решить задачу о числе выбираемых и измеряемых нанокристаллов.

В случаях управляемого синтеза удается получать наночастицы с нормальным, почти гауссовым, распределением по размерам [13]. В этом случае минимальная вероятность повторения одинаковых нанокристаллов в случайной выборке единой технологической партии будет примерно равна отношению шага изменения размера нанокристалла к нему самому – a_n/a₀. В качестве шага изменения необходимо принять величину постоянной решетки. Тогда минимальное число испытуемых нанокристаллов с одним, как минимум, повтором будет равно . Понятно, что на это число повлияют как-то конкретные технологические условия, и необходимо каждый раз его проверять и подбирать.

Экспериментальные проверки

Нанокристаллы изготавливались методом коллоидного синтеза, контролировались по составу, форме, размерам, вольтамперным характеристикам [8, 13].

На фиг. 3 представлен фрагмент типичной картины снимка на просвечивающем электронном микроскопе и гистограмма распределения размеров нанокристаллов. На данном снимке видно, что из примерно 100 кристаллов до 30% имеют одинаковый размер 4 нм. Это подтверждает предложенную минимальную норму выборки - не менее a_n/a₀ в данном случае равную ~8.

На фиг. 4 представлены типичные вольтамперные характеристики (ВАХ) для разных нанокристаллов узкозонного полупроводника антимонида индия. На рисунке выражены резонансные пики квантовой проводимости. Рисунок наглядно демонстрирует проявления квантовых проводимости и осцилляций.

На фиг. 5 сделан вынос из множества ВАХ резонансных пиков и данные расчета по формуле (4) размеров нанокристаллов: верхние значения на кривых рисунка - для квантового числа q=1, нижние - q=2. Рисунок демонстрирует формы пиков и их точки напряжения V_r. Результаты демонстрируют хорошее соответствие экспериментам.

На фиг. 6 представлены результаты эксперимента с коррелированными (запутанными) фотонами.

Эксперимент проведен на выборках единой партии нанокристаллов NC-InSb на двух дистанционно расположенных никак не связанных одинаковых зондовых сканирующих микроскопах NANOEDUCATOR. Проводились измерения ВАХ каждой выборки при отдельном, а затем - при одновременном включении. На каждом из образцов выборок выбирались 25-30 точек (нанокристаллов), измерялись ВАХ и проводился статистический анализ. На фиг. 6 представлены типичные ВАХ образцов NC-InSb без взаимодействия (кр. 1 и 2) и при их не связанном дистанционном взаимодействии предполагаемым излучением (кр. 1* и 2*). ВАХ с проявлением резонанса (характерными резонансными пиками) существенно относительно сдвинуты (6, а). ВАХ без таковых качественно не изменились (6, b).

Статистическиая обработка данных изменений ВАХ показала, что положения пиков (величины напряжения) существенно сдвинулись в сторону больших значений. При этом, по этой же причине и с учетом ограниченности интервала напряжения (не более 2 V), существенно выросла доля ВАХ без пиков.

Наблюдаемое явление мы объясняем тем, что в гамме нанокристаллов одной партии всегда найдутся абсолютно одинаковые по форме и размерам, излучающие одновременно абсолютно одинаковые фотоны, что эквивалентно явлению коррелирования (спутанности, запутанности).

Список литературы

1. A. Zeilinger Light for the quantum. Entangled photons and their applications: a very personal perspective Phys. Scr. 92 (2017) 072501 (33pp) DOI: 10.1088/1402-4896/aa736d.

2. Z.-S. Yuan, X. - H. Bao, C. - Ya. Lu, Jun Zhang^a, C. - Z. Peng, Ji. - W. Pan. Entangled photons and quantum communication. Physics Reports Volume 497, Issue 1, December 2010, Pages 1-4. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2010.07.004.

3. O. Lib, G. Hasson, Ya. Bromberg. Real-time shaping of entangled photons by classical control and feedback. Sci. Adv. 2020; 6: eabb6298 9.

4. A. Ivashkin, D. Abdurashitov, A. Baranov, F. Guberl S. Morozov, S. Musin, A. Strizhak, I. Tkachev. Testing entanglement of annihilation photons. Scientifc Reports | (2023) 13:7559 | https://doi.org/10.1038/s41598-023-34767-8.

5. Yu. Fujihashi, R. Shimizu, A. Ishizaki. Generation of pseudo-sunlight via quantum entangled photons and the interaction with molecules. Physical Rev. Research 2, 023256 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.023256.

6. K.M. Haroun, Ah. M. Gomaa, S.I. Babiker. Quantum Correlation Calculation Via Semiclassical Concept Using Matlab Model. Mathematical Modelling and Applications 2018; 3(3): 39-43. DOI: 10.11648/j.mma.20180303.11.

7. [https://nplus1. ru/news/2018/07/19/qdot-fine] [https://nplus1.ru/news/2017/09/27/C-band-entanglement].

8. Н.Д. Жуков, M.B. Гавриков. Электронный транспорт в одиночных коллоидных квантово-размерных частицах в межэлектродном нанозазоре. Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып. 8, с. с. 18-22. DOI: 10.21883/PJTF.2022.08.52361.19090.

9. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков, А.Г. Роках. Электрон-фотонные взаимодействия в условиях размерного ограничения проводимости в полупроводниковых одиночных квантово-размерных частицах в межэлектродном нанозазоре. Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 3, 42 - 46. DOI: 10.21883/PJTF.2023.03.54466.19393.

10. US 20110108744 A1. PHOTON SOURCE FOR PRODUCING ENTANGLED PHOTONS. Authors - Richard Stevenson; Andrew Shields. Assignee - Kabushiki Kaisha Toshiba. Filed: Oct. 13,2010.

11. Патент 2777199 «Способ изготовления проводящей наноячейки с квантовыми точками». Приоритет 10.08.2021. Авторы: Гавриков М.В., Глуховской Е.Г., Жуков Н.Д., Ягудин И.Т. Патентообладатель ООО «Старт-Волга».

12. В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин, Основы наноэлектроники (Логос, М., 2006), с. 495.

13. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков, С.Н. Штыков. Размерное моделирование синтеза и проводимости коллоидных квантовых точек. Физика и техника полупроводников, 2022, том 56, вып. 6, с. с. 552-557. DOI: 10.21883/FTP.2022.06.52588.9809.

Изобретение относится к устройствам и способам информационных технологий и может быть использовано для разработок фотонных компьютеров и в системах информационных коммуникаций. Источник-наноячейка одиночных фотонов содержит квантоворазмерный нанокристалл узкозонного полупроводника, например антимонида индия, помещенный в межэлектродный нанозазор размером 5-15 нм. В нанокристалл подаются электроны проводимости из проводящего контакта с отрицательной полярностью полевой эмиссией в нанозазор и последующей инжекцией. При этом электронные состояния обуславливаются одноэлектронным транспортом в нанокристалле как глубокой протяженной квантовой яме с физическими процессами квантовых проводимости и осцилляций и нормировкой состояния квантового резонанса формулой , где: V - энергия электрона (в электронвольтах), 0.37 - вычисленный коэффициент, учитывающий также соразмерность единиц измерений, q - квантовое число, - размер нанокристалла (в нанометрах), m/m₀ - отношение эффективной массы электрона в полупроводнике к его массе «покоя». Технический результат - формирование одинаковых фотонов. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник-наноячейка одиночных фотонов, содержащий квантовую точку; электрические контакты, выполненные на полупроводниковой или диэлектрической подложке с возможностью приложения электрического напряжения к указанной квантовой точке и приложения потенциалов так, что электроны проводимости подаются в квантовую точку с образованием в ней электронных состояний, отличающийся тем, что в качестве квантовой точки используется квантоворазмерный нанокристалл узкозонного полупроводника; электрические контакты образуют межэлектродный нанозазор размером 5-15 нм; при этом электроны проводимости подаются полевой эмиссией из электрического контакта в нанозазор и последующей их инжекцией в нанокристалл; электронные состояния обуславливаются одноэлектронным транспортом в нанокристалле как глубокой протяженной квантовой яме с физическими процессами квантовых проводимости и осцилляций и нормировкой состояния квантового резонанса, характеризующегося формулой , где: V - энергия электрона в электронвольтах, 0.37 - вычисленный коэффициент, учитывающий соразмерность единиц измерений, q - квантовое число, - размер нанокристалла в нанометрах, m/m₀ - отношение эффективной массы электрона в полупроводнике к его массе «покоя».

2. Источник одинаковых фотонов содержит размноженные источники-наноячейки по п. 1, при этом для наноячеек выбираются одинаковые по форме и размерам нанокристаллы путем формирования случайной выборки из единой технологической партии до группы в количестве не менее чем отношение , где - постоянная решетки нанокристалла; при этом на каждом нанокристалле группы проводятся измерения точки квантового токового резонанса, а именно измеряется напряжение V_r на вольтамперной характеристике; проводится программная статистическая обработка результатов измерений с целью определения одинаковых значений V_r и выделения соответствующих им нанокристаллов.