В Университете Пердью (США) разработали и продемонстрировали фотонный транзистор, способный работать при уровне интенсивности света в один фотон. В публикации журнала Nature Nanotechnology сообщается, что в новом устройстве используется лавинное умножение электронов в кремнии, в процессе которого единственный фотон запускает каскад, создающий до миллиона электронов, который связывает события в микроскопическом квантовом мире с макроскопическими измеримыми эффектами. Фотонный транзистор демонстрирует рекордно высокий нелинейный показатель преломления, что является важнейшим фактором для создания фотонных переключателей с управлением одиночными фотонами.

Фотонный транзистор работает как оптический переключатель, где одиночный фотон в управляющем луче может модулировать свойства более мощного зондирующего луча, включая и выключая его. Основные преимущества предлагаемого решения — в возможности работы при комнатных температурах и совместимости с существующими технологиями производства КМОП-полупроводников. Кроме того, транзистор способен поддерживать гигагерцевые частоты с перспективой их повышения до сотен гигагерц.

Разработанная коллективом исследователей технология может применяться не только в квантовых вычислениях, где она способна повысить эффективность генерации одиночных фотонов и ускорить протоколы квантовой телепортации, но и в классических вычислительных системах. Использование фотонов как носителей информации позволит значительно снизить энергопотребление и перейти к гораздо более высоким тактовым частотам терагерцевых диапазонов, примерно от 300 ГГц до 3 ТГц.

Полученные в Университете Пердью результаты решают фундаментальную проблему в области фотоники, поскольку традиционная оптическая нелинейность, при которой один луч света воздействует на другой, требует огромных уровней мощности. В новом фотонном транзисторе такое взаимодействие осуществляется при очень низких мощностях. Его появление может отразиться не только на вычислительных устройствах, но и на оптических коммуникациях, передаче данных, дата-центрах, заменяя энергоемкую электронику на более быструю и эффективную фотонику.

Разработка, включая множество экспериментальных этапов, заняла более четырех лет. В настоящее время в группе исследователей работают над оптимизацией технологии созданного устройства и намерены изучить различные геометрические формы и материалы для дальнейшего повышения производительности. В перспективе возможно также создание специализированных однофотонных лавинных диодов и улучшение их характеристик.