Klonowanie fotonów wreszcie działa. 30× szybciej niż rok temu

Berlin, styczeń 2024. Daniel Vajner, doktorant na Technische Universität Berlin, wpatruje się w ekran oscyloskopu. Od tygodnia próbuje zmierzyć to samo — czy dwa fotony wyemitowane przez ten sam kwantowy układ są od siebie nieodróżnialne. Problem w tym, że wykonanie eksperymentu Hong-Ou-Mandela w paśmie telekomunikacyjnym 1550 nm jest jak próba usłyszenia szeptu na koncercie rockowym. Szum detektorów zagłusza wszystko. Vajner wie jednak, że odpowiedź na to pytanie może zadecydować o tym, czy kiedykolwiek zbudujemy kwantowy internet.

Tymczasem 350 kilometrów na wschód, we Wrocławiu, Paweł Holewa właśnie zakończył trzeci miesiąc pracy nad czymś, co jego koledzy z DTU w Kopenhadze nazywali "problemem igły w stogu siana kwantowego". Holewa — absolwent Politechniki Wrocławskiej, który po doktoracie w Danii wrócił do Polski — próbował rozwiązać zagadkę, która od 20 lat spędzała sen z powiek fizykom na całym świecie: jak produkować identyczne fotony w paśmie telekomunikacyjnym w sposób, który da się skalować.

Wyniki tego, co zrobił zespół Holewy, ukazały się w kwietniu 2024 roku na łamach Nature Communications. I są tak dobre, że społeczność kwantowa przestała pytać "czy się da", a zaczęła pytać "kiedy to wdrożą".

28 miliardów powodów, żeby nie dać się podsłuchać

Zacznijmy od liczb, bo są oszałamiające. Rynek komunikacji kwantowej — obejmujący dystrybucję klucza kwantowego (QKD), kwantowe repeatery i docelowo kwantowy internet — ma osiągnąć wartość 28 miliardów dolarów do 2035 roku (McKinsey, 2024). To nie są pieniądze na odległą przyszłość. Deutsche Telekom testuje QKD na istniejących łączach światłowodowych między Berlinem a Bonn. W Chinach działa już sieć kwantowa łącząca Pekin z Szanghajem — 2000 kilometrów.

Ale żeby to wszystko działało poza laboratorium, potrzebny jest podstawowy budulec: źródło pojedynczych fotonów, które są od siebie nieodróżnialne. Dlaczego nieodróżnialność ma znaczenie? Bo kwantowy internet nie przesyła danych — przesyła splątanie. A splątanie między odległymi węzłami sieci działa tylko wtedy, gdy fotony z dwóch różnych źródeł są tak identyczne, że odbiornik nie jest w stanie stwierdzić, który jest który. To nie metafora — to twardy wymóg fizyczny. Jeśli dwa fotony różnią się choćby ułamkiem długości fali, splątanie znika.

Tu właśnie pojawia się problem, który Holewa i jego zespół postanowili rozwiązać.

Dlaczego nikt nie umie zrobić dwóch takich samych fotonów

Źródłem pojedynczych fotonów są zwykle kropki kwantowe — nanometrowe wysepki półprzewodnika, które działają jak sztuczne atomy. Wzbudzone laserem, emitują dokładnie jeden foton na raz. Problem w tym, że kropki rosną w procesie epitaksjalnym, czyli samoorganizują się na podłożu — trochę jak krople wody na szybie. Każda ma nieco inny rozmiar, inne naprężenie, a przez to emituje światło o minimalnie innej długości fali.

Przez lata fizycy obchodzili ten problem na dwa sposoby. Albo produkowali tysiące urządzeń i liczyli, że któreś trafi w kropkę o właściwych parametrach (wydajność: poniżej 1%), albo używali drogich technik skanujących, które lokalizowały kropkę i precyzyjnie umieszczały wokół niej wnękę optyczną. Ta druga metoda działała, ale była powolna jak ręczne składanie zegarka — jedno urządzenie dziennie, zero skalowalności.

Rys. 1. Wnęka optyczna CBG (circular Bragg grating) wykonana w fosforku indu — obraz z mikroskopu elektronowego. Źródło: Holewa P. et al., Nature Communications 15, 3358 (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-47551-7.

Zespół Holewy wymyślił trzecie rozwiązanie. Ulepszyli geometrię próbki tak, że kropki kwantowe świeciły 7 razy jaśniej, a potem użyli kamery na podczerwień do sfotografowania całej płytki i wybrania najlepszych kropki — tych 10% najjaśniejszych — zanim jeszcze cokolwiek zbudują. Dopiero wtedy, znając już dokładne pozycje, za pomocą dwóch kroków litografii elektronowej umieszczali wokół wybranych kropek mikrownęki optyczne w kształcie kołowych siatek Bragga.

Efekt? Wydajność produkcji skoczyła z poniżej 1% do 30%. Trzydziestokrotny wzrost. A precyzja pozycjonowania? 90 nanometrów — to mniej więcej szerokość wirusa grypy.

Wrocław ma odpowiedź. I to niejedną

Rys. 2. Obrazowanie mikrofotoluminescencyjne — jasne punkty to pojedyncze kropki kwantowe emitujące w paśmie telekomunikacyjnym 1550 nm. Źródło: Holewa P. et al., Nature Communications 15, 3358 (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-47551-7.

To, co w tej historii jest szczególnie ważne dla Polski, to nie tylko pojedyncza publikacja w Nature Communications. Wśród 17 autorów pracy dominują nazwiska z Wrocławia i Krakowa. Paweł Holewa, Emilia Zięba-Ostój, Maja Wasiluk, Marek Burakowski, Paweł Mrowiński, Bartosz Krajnik — wszyscy z Politechniki Wrocławskiej lub AGH. Senior author, Marcin Syperek, jest profesorem na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki PWr. Anna Musiał, również z PWr, to uznana specjalistka od optyki kwantowej.

Wrocław nie wziął się znikąd. Politechnika Wrocławska od dekady buduje kompetencje w fotonice kwantowej — częściowo dzięki współpracy z duńskim DTU (Technical University of Denmark), które ma jeden z najlepszych ośrodków nanofotoniki w Europie. Holewa zrobił tam doktorat, pracując w centrum NanoPhoton pod kierunkiem Elizavety Semenovej i Krestena Yvinda, po czym wrócił do Polski, przywożąc ze sobą wiedzę i sieć kontaktów.

To klasyczny model transferu wiedzy: polski naukowiec wyjeżdża do czołowego ośrodka, publikuje w Nature Communications, wraca i buduje zespół w kraju. Problem w tym, że na razie ten zespół funkcjonuje głównie w trybie grantowym. Praca Holewy była finansowana z grantu NCN (OPUS) oraz duńskiego Innovation Fund Denmark. Nie ma za tym na razie polskiej firmy, która próbowałaby skomercjalizować technologię produkcji kwantowych urządzeń fotonicznych.

A powinna być. Bo liczby mówią same za siebie: czystość emisji pojedynczych fotonów wyniosła g²(0) = 0,0032 — to znaczy, że na 10 000 wyemitowanych fotonów tylko 32 to pomyłki. Nierozróżnialność fotonów, mierzona widzialnością interferencji Hong-Ou-Mandela, osiągnęła rekordowe dla pasma C 19,3%. Współczynnik Purcella — miara wzmocnienia emisji przez wnękę — wyniósł 5. Efektywność ekstrakcji fotonu do pierwszej soczewki: 16,6%.

Czy to dużo? Dla laika: wyobraź sobie, że próbujesz łapać pojedyncze ziarenka piasku spadające z wysokości 10 metrów. W trybie losowym trafiasz jedno na sto. Metodą wrocławską — co trzecie.

Stawka: infrastruktura, której nie widać

Kwantowy internet nie zastąpi klasycznego — będzie działał równolegle, na tych samych światłowodach. Pasmo C (1530-1565 nm) to tzw. okno transmisyjne, w którym tłumienność światłowodu krzemionkowego jest najniższa — około 0,2 dB/km. To dlatego cała dzisiejsza telekomunikacja światłowodowa działa właśnie w tym paśmie. Gdyby kwantowe źródła fotonów działały w innym paśmie, potrzebowalibyśmy osobnej infrastruktury. A to podniosłoby koszty o rząd wielkości.

Dlatego przełom wrocławski ma znaczenie praktyczne: pokazuje, że można produkować kwantowe źródła fotonów w paśmie C w sposób, który zaczyna przypominać przemysłową produkcję. 30% wydajności to wciąż nie 95% wymagane w fabryce półprzewodników, ale kierunek jest jasny. "Dalsza poprawa wydajności i właściwości koherencyjnych utoruje drogę do wdrożenia nieliniowych urządzeń jednofotonowych i zaawansowanych sieci kwantowych" — piszą autorzy w podsumowaniu.

Co dalej? Zespół wskazuje trzy kierunki. Po pierwsze, stabilizacja ładunkowa — pozbycie się szumów elektrycznych w otoczeniu kropki, które obecnie ograniczają czas koherencji do około 100 pikosekund. Po drugie, integracja z układami elektrycznymi (tzw. struktura p-i-n), co powinno poprawić nierozróżnialność fotonów. Po trzecie — i to już jest wyzwanie inżynieryjne, nie naukowe — zwiększenie skali produkcji.

Dla Polski to moment, w którym warto zadać pytanie: czy chcemy być tylko dostawcą publikacji, czy też dostawcą technologii? Kwantowe źródła fotonów to komponent, nie system — idealny produkt dla firmy spin-off, która mogłaby dostarczać je integratorom sieci kwantowych na całym świecie. Rynek dopiero się tworzy, a bariera wejścia — w postaci wiedzy specjalistycznej — jest wysoka. Wrocław już ją pokonał.

Źródła

Praca źródłowa: Holewa P., Vajner D.A., Zięba-Ostój E. et al., High-throughput quantum photonic devices emitting indistinguishable photons in the telecom C-band, Nature Communications 15, 3358 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47551-7

Kontekst rynkowy: McKinsey & Company, Quantum technology monitor (2024); Cao Y. et al., The Evolution of Quantum Key Distribution Networks, IEEE Commun. Surv. Tutor. 24, 839–894 (2022); Kimble H.J., The quantum internet, Nature 453, 1023–1030 (2008).