Скрученные атомные слои позволили управлять цветом квантового света — прорыв для квантовых технологий

Одна из главных нерешённых задач на пути к практическим квантовым компьютерам и защищённым квантовым каналам связи — научиться надёжно управлять источниками квантового света прямо в устройстве, не переделывая его после изготовления. Исследователи из Сиднейского технологического университета (UTS) совместно с коллегами из Университета Миннесоты и Университета Кён Хи (Южная Корея) нашли неожиданно простой способ: достаточно повернуть два тончайших слоя особого материала относительно друг друга, и цвет излучаемого квантового света изменится. Статья опубликована 19 июня 2026 года в Science Advances.

«Вы можете измерить эти квантовые излучатели и убедиться, что они существуют, но заставить их работать на практике крайне сложно. Наш подход даёт рычаг, чтобы приблизиться к этому — шаг к реализации квантовых технологий», — говорит ведущий автор доктор Ангус Гейл (Angus Gale).

Что такое квантовые излучатели и почему ими так сложно управлять

Квантовый излучатель — это нанометровый дефект в кристалле, способный испускать ровно по одному фотону за раз. Именно это свойство делает такие излучатели принципиально важными: одиночные фотоны — основная «рабочая лошадка» квантовой связи (они несут квантовые биты информации, которые невозможно перехватить незаметно) и квантовых вычислений. Проблема в том, что свойства таких излучателей — в первую очередь длина волны и, следовательно, «цвет» испускаемого фотона — фиксируются в момент создания. Два соседних дефекта в одном кристалле могут излучать свет на разных длинах волн, не совпадающих друг с другом, и согласовать их после изготовления крайне трудно.

Именно эта неизменность свойств является одним из главных препятствий для сборки реальных устройств. Если два излучателя работают на разных длинах волн, они не могут взаимодействовать, а значит, не могут образовывать запутанные состояния, обмениваться квантовой информацией или создавать фотонные пары для квантовой криптографии.

Материал для исследования — гексагональный нитрид бора (hBN). Это двумерный кристалл, похожий на графен: он может расслаиваться до толщины одного атомного слоя. В отличие от большинства других квантовых платформ (алмаза, арсенида галлия), hBN содержит дефекты, которые испускают одиночные фотоны при комнатной температуре — без криогенного охлаждения.

Угол скрутки — новый рычаг управления светом

Команда Гейла наложила два тонких слоя hBN с небольшим угловым сдвигом — «скрутила» их. Когда два атомных слоя немного повёрнуты относительно друг друга, между ними возникают механические напряжения: атомы верхнего слоя не точно совпадают с атомами нижнего, и это создаёт периодический рисунок напряжений. Именно это напряжение изменяет энергетические уровни дефекта — и, следовательно, длину волны испускаемого им фотона.

В эксперименте исследователи продемонстрировали: изменяя угол скрутки, они могут сдвигать длину волны квантового излучателя в значительном диапазоне. Ключевые характеристики метода:

• Обратимость: изменение угла скрутки не разрушает материал и не меняет его необратимо — это физический «рычаг», который можно задействовать при настройке устройства.
• Контролируемость: зависимость длины волны от угла скрутки воспроизводима, что позволяет целенаправленно «настраивать» излучатель.
• Комнатная температура: hBN позволяет работать без дорогостоящего криогенного охлаждения, в отличие от многих конкурирующих квантовых платформ (например, сверхпроводников или квантовых точек в GaAs, требующих охлаждения до долей кельвина).
• Масштабируемость: принцип скрутки применим ко всему классу двумерных материалов — это открывает путь к семейству управляемых квантовых излучателей на разных длинах волн, включая телекоммуникационный диапазон.

Почему это важно для квантовых технологий

Открытие вписывается в более широкий тренд «скрученной» (twisted) физики. После 2018 года, когда команда Пабло Харильо-Эрреро (MIT) обнаружила, что скрученный билайер графена при угле ~1,1° становится сверхпроводником, скрутка превратилась в один из главных инструментальных принципов физики двумерных материалов. Теперь тот же принцип работает в квантовой оптике.

Практические применения управляемых квантовых излучателей охватывают три основные области. В квантовой криптографии (QKD) одиночные фотоны используются для передачи шифровальных ключей, которые физически невозможно перехватить без обнаружения. В квантовых вычислениях фотоны могут служить квантовыми битами для определённых типов квантовых процессоров. В квантовой метрологии и сенсорике одиночные фотоны позволяют измерять магнитные поля, температуру и другие физические величины с недостижимой для классических приборов точностью.

Читайте также по теме: Квантовые материалы могут ускорить обработку информации в тысячу раз

Группа профессора Игоря Агароновича (Igor Aharonovich) из UTS входит в число ведущих мировых исследовательских коллективов, изучающих квантовые излучатели в hBN. В 2016 году она первой описала одиночные фотонные излучатели в этом материале. Нынешняя работа — следующий шаг от наблюдения к управлению.

Источник: Gale, A., Aharonovich, I. et al. «Twist-Controlled Modulation of Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride», Science Advances, 19 июня 2026 г. DOI: 10.1126/sciadv.aec0101. University of Technology Sydney; University of Minnesota; Kyung Hee University.