Разработка квантового интерфейса на основе диэлектрических и гибридных наноструктур для работы с одиночными NV-центрами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-19-10367

НазваниеРазработка квантового интерфейса на основе диэлектрических и гибридных наноструктур для работы с одиночными NV-центрами

Руководитель Шадривов Илья Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-707 - Элементная база квантовых компьютеров и систем связи

Ключевые слова одиночный квантовый излучатель, квантовый интерфейс, наноантенна , метаповерхность, наноструктура, сверхвысокие частоты, магнитное поле

Код ГРНТИ29.33.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Формирование глобального информационного пространства приводит к интеграции информационных технологий во все сферы человеческого общества. Поэтому сегодня как никогда важны скорость обработки и передачи информации, пропускная способность канала передачи данных, помехоустойчивость и надежность линий связи. Причем требования к этим параметрам, связанные с увеличивающейся информатизацией общества, непрерывно растут. Это обуславливает необходимость разработки новых подходов к созданию систем хранения, передачи и обработки информации. В 2012 году Нобелевская премия по физике была присуждена за разработку экспериментальных методов для измерения и управления квантовыми системами. Нобелевский комитет отметил достижения именно в экспериментальной квантовой физике, так как научные исследования С. Ароша и Д. Вайнленда открыли возможность реализации концепции квантовых информационных систем, принципы и алгоритмы работы которых теоретически изучались с середины 80-х работ XX века. Работа таких устройств основана на квантово-механическом представлении об устройстве микромира и привлекательна с точки зрения производительности и энергопотребления. Реализация концепции квантовой информационной системы, прежде всего, связана с созданием квантовых источников излучения одиночных фотонов, вспомогательной инфраструктуры, предназначенной для управления электромагнитным полем и воздействия на квантовый объект, а также квантовых интерфейсов, позволяющих передавать информацию с одного квантового объекта (фотона) на другой (атом) и обратно. Трудности при создании таких систем чаще всего вызваны фундаментальными проблемами: дифракционный предел, неконтролируемое взаимодействием квантовой системы с окружением, управление излучением на наномасштабе, и др. Таким образом, создание и изучение источников одиночных фотонов, а также разработка систем, обеспечивающих взаимодействие квантовых объектов, несомненно, является актуальной научной проблемой мирового уровня, решение которой позволит создавать многофункциональные системы, основанные на распространении и взаимодействии квантовых сигналов, в том числе квантовые компьютеры. Наиболее перспективным кандидатом на роль источника одиночных фотонов при комнатной температуре, как основного элемента квантовых устройств, является центр азот-вакансия (NV-центр) в алмазе. Оптическое управление NV-центром осуществляется при помощи лазерного излучения, промежуточные операции с системой производятся при помощи микроволновых и магнитных полей. Однако для таких источников одиночных фотонов существует проблема эффективного сбора излучения, так как в спектре люминесценции NV-центра при комнатной температуре бесфононная линия содержит около 4% люминесценции всей системы. В настоящее время проводятся исследования в области применения плазмонных наноантенн для создания квантового интерфейса, а также увеличения эффективности сбора фотонов NV-центров. Применение таких наноантенн позволяет обойти дифракционный предел и обеспечить эффективное взаимодействие фотона и атома. Однако при создании квантово-информационных устройств, работающих с единичными квантами, требуется 100% эффективность передачи информации. Поэтому применение плазмонных наноантенн затруднительно: несмотря на высокую степень локализации электромагнитного поля, они обладают высокими диссипативными потерями на оптических частотах, что накладывает фундаментальные ограничения на эффективность функционирования плазмонных устройств. Научной новизной проекта является то, что для преодоления этих проблем впервые предлагается применение диэлектрических и металлодиэлектрических (гибридных) наноантенн. В отличие от плазмонных наноантенн, диэлектрические (с высоким показателем преломления) могут обладать наведенными магнитными моментами и не испытывают диссипативных потерь. Также предлагается использование гибридных наноантенн, объединяющих высокую степень локализации электромагнитной энергии и низкие диссипативные потери. Использование таких наноантенн позволит эффективно управлять светом на наномасштабе как через электрическую, так и магнитную компоненты световой волны. Объединение метаповерхности на основе диэлектрических или гибридных наноантенн с микроволновым резонатором, позволит создать систему для эффективного управления излучением одиночных квантовых источников на базе NV-центров. Таким образом, наша научная группа сформирована для проведения фундаментальных научных исследований, направленных на разработку эффективного квантового интерфейса, состоящего из массивов диэлектрических или металлодиэлектрических (гибридных) наноантенн, совмещенных с микроволновым резонатором для эффективного сбора и управления излучением одиночных квантовых источников на базе NV-центров для создания элементной базы квантово-информационных систем. Запланированные нами исследования также направлены на развитие теоретических методов описания взаимодействия одиночных квантовых систем с излучением в наноструктурированном окружении, а также экспериментальную реализацию разработанной концепции квантового интерфейса. Участники научной группы, представляющие Университет ИТМО, обладают большим опытом проведения научных исследований в области создания и исследования наноструктур и метаповерхностей в оптическом и микроволновом диапазоне частот. Результаты работ членов научной группы регулярно докладывались на крупнейших Российских и международных конференциях и опубликованы в ведущих научных журнах. Более подробная информация доступна на сайте лаборатории «Метаматериалы» Международного научно-исследовательского центра Нанофотоники и Метаматериалов Университета ИТМО http://metalab.ifmo.ru/. Участники научной группы, представляющие Физический институт им П.Н. Лебедева РАН являются известными учеными, проводящими исследования в области квантовой оптики. Большой опыт и научный задел позволили им получить прорывные результаты в этой области, которые получили признание на международном уровне. Создание научной группы, включающей сотрудников Университета ИТМО и Физического института им П.Н. Лебедева РАН, было инициировано руководителем проекта, который смог оценить важность междисциплинарного подхода для решения обозначенной в проекте научной проблемы и научный задел, имеющийся у этих двух групп. Руководитель проекта имеет большой опыт взаимодействия с каждым из этих коллективов и понимает достоинства каждой из этих команд, что позволит ему эффективно осуществлять стратегическое планирование исследований по проекту.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Залогина А.С., Савельев Р.С., Ушакова Е.В., Зограф Г.П., Комиссаренко Ф.Э., Миличко В.А., Макаров С.В., Зуев Д.А., Шадривов И.В. Purcell effect in active diamond nanoantennas Nanoscale, Том: 10 Выпуск: 18 Стр.: 8721-8727 (год публикации - 2018)
10.1039/c7nr07953b

2. В. Ярошенко, А. Залогина, Д. Зуев, П. Капитанова, И. Шадривов Circularly polarized antenna for coherentmanipulation of NV-centers in diamond Journal of Physics: Conference Series, Volume 1092, conference 1 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012168

3. П. Капитанова, В.В. Сошенко, В.В. Воробьев, Д. Добрых, С.В. Большедворский, В.Н. Сорокин, А.В. Акимов 3D uniform manipulation of NV centers in diamond using dielectric resonator antenna JETP Letters, vol. 108, iss. 9, pp. 625 – 626 (год публикации - 2018)
10.1134/S0370274X1821004X

4. Сошенко В.В., Рубинас О.Р., Воробьев В.В., Большедворский С.В., Капитанова П.В., Сорокин В.Н., Акимов А.В. Microwave Antenna for Exciting Optically Detected Magnetic Resonance in Diamond NV Centers Bulletin of the Lebedev Physics Institute, №8, V.45, pp.237-240 (год публикации - 2018)
10.3103/S1068335618080043

5. Большедворский С.В., Воробьев В.В., Сошенко В.В., Зеленеев А., Сорокин В.Н., Смолянинов А.Н., Акимов А.В. On investigation of optical and spin properties of NV centers in aggregates of detonation nanodiamonds AIP Conference Proceedings, №1, V. 1936, pp.020001-1-5 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5025439

6. Воробьев В.В., Сошенко В.В., Большедворский С.В., Сорокин В.Н., Смольянинов А.Н., Акимов А.В. Coupling of single NV center to the tapered optical fiber Proceedings of SPIE, 9920 992012-1 (год публикации - 2016)
10.1117/12.2237844

7. Миличко В.А., Зуев Д.А., Баранов Д.Г., Зограф Г.П., Вологина К., Красилин А.А., Мухин И.С., Дмитриев П.А., Виноградов В,В., Макаров С.В., Белов П.А. Metal-dielectric nanocavity for real-time tracing molecular events with temperature feedback LASER & PHOTONICS REVIEWS (год публикации - 2017)
10.1002/lpor.201700227

8. Зограф Г.Р., Рыбин М.В., Зуев Д.А., Макаров С.В., Белов П.А., Лопаницына Н.Ю., Куксин А.Ю., Стариков С.В. Modeling of formation mechanism and optical properties of Si/Au core-shell nanoparticles Proceedings of the International Conference Days on Diffraction, DD 2016, pp. 460-464 (год публикации - 2016)
10.1109/DD.2016.7756894

9. Краснок А.Е., Глыбовский С.В., Петров М.И., Макаров С.В., Савельев Р.С., Белов П.А., Симовский К.Р., Кившар Ю.С. Demonstration of the enhanced Purcell factor in all-dielectric structures APPLIED PHYSICS LETTERS, 108, 211105 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4952740

10. Залогина А.С., Джавадзаде Д., Зуев Д.А., Савельев Р.С., Воробьев В.В., Макаров С.В., Белов П.А., Акимов А.В., Шадривов И.В. Effect of dipole orientation on Purcell factor for the quantum emitter near silicon nanoparticle AIP Conference Proceedings, 1874, 040058 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998131

11. Капитанова П., Сошенко В., Воробьев В., Добрых Д., Большедворский С., Сорокин В., Акимов А. Dielectric resonator antenna for coupling to NV centers in diamond AIP Conference Proceedings, 1874, 030017 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998046

12. Зуев Д.А., Макаров С.В., Миличко В.А., Краснок А.Е., Белов П.А., Мухин И.С., Морозов И.А., Баранов Д.Г., Мирошниченко А.Е. Reversible and non-reversible tuning of hybrid optical nanoresonators Proceedings of the International Conference DAYS on DIFFRACTION 2016, DIFFRACTION 2016, pp. 464–467 (год публикации - 2016)
10.1109/DD.2016.7756895

Публикации