Ultra-lille nanokavitet udvikler teknologi til sikker kvantebaseret datakryptering

Forskere har udviklet en ny type lysforbedrende optisk hulrum, der kun er 200 nanometer høj og 100 nanometer på tværs. Deres nye nanoskala system repræsenterer et skridt i retning af lysere enkeltfotonkilder, som kunne hjælpe med at drive kvantebaseret kryptering og et virkelig sikkert og fremtidssikret netværk.

Kvantekrypteringsteknikker, der anses for sandsynligvis at være centrale for fremtidige datakrypteringsmetoder, bruge individuelle fotoner som en ekstremt sikker måde at kode data på. En begrænsning af disse teknikker har været evnen til at udsende fotoner med høje hastigheder. "En af de vigtigste fortjenstfigurer for enkeltfotonkilder er lysstyrke-eller indsamlede fotoner pr. Sekund-fordi jo lysere det er, jo flere data du kan overføre sikkert med kvantekryptering, "sagde Yousif Kelaita, Nanoskala og Quantum Photonics Lab, Stanford University, Californien.

I journalen Express optiske materialer , Kelaita og hans kolleger viser, at deres nye nanokavitet betydeligt øgede lysstyrken for kvantepunkter-nanometer-skala halvlederpartikler, der kan udsende enkeltfotoner.

Forskerne skabte den nye nanokavitet ved at bruge stærkt reflekterende sølv til at belægge siderne af en nanoskala halvlederstolpe, der sidder på et underlag. Sølvet får lyset til at hoppe rundt inde i nanopilleren, gør det til et meget lille optisk hulrum. Forskerne siger, at det samme designkoncept kunne bruges til at bygge nanokaviteter af andre materialer, der er skræddersyet til forskellige enkelt-fotonemittere.

Fange lys i et lille rum

På nanometer skalaer, lys interagerer med materialer på unikke måder. Et eksempel er Purcell -effekten, som øger emissionseffektiviteten af ​​en kvantepunkt eller anden lysemitter, der er begrænset i et lille hulrum. Systemer, der viser Purcell -forbedring, udsender flere fotoner over en given tid, som kunne muliggøre kvantekrypteringssystemer, der fungerer hurtigere, end det er muligt nu.

At opnå Purcell -forbedring drager fordel af ekstremt små hulrum, fordi energi hurtigere overføres mellem lysemitteren og hulrummet. Det er også ønskeligt at have en tilstrækkelig høj kvalitetsfaktor, hvilket betyder, at hulrumets refleksion tillader lyset at hoppe rundt i lang tid.

"Vi demonstrerede en ny type hulrum med en mængde, der var flere størrelsesordener lavere end den nuværende state of the art i solid-state systemer, "sagde Kelaita." Systemet producerer stærk Purcell -forbedring og høj lysopsamlingseffektivitet på samme tid, hvilket fører til en samlet stigning i lysstyrken af ​​enkeltfotonkilden. "

Da forskerne testede de nye nanokaviteter, de fandt ud af, at de kvanteprikker, der var placeret inde i nanokaviteterne, udsendte flere fotoner pr. sekund end kvantepunkter, der ikke var placeret inde i et sådant hulrum.

Fordi nanokaviteterne er åbne oven på, udsendt lys kan rejse direkte i luften. Lignende nanocavities skabt tidligere var toppet med en metalbelægning, der var uønsket til opsamling af udsendte fotoner. Emissionsprofilen fra de nye nanokaviteter matcher også godt med standardobjektiver med objektive mikroskop, tillader en høj procentdel af lyset at komme ind i linsen. Et uoverensstemmelse mellem emissionsprofilen og mikroskopobjektiver har forårsaget problematisk lystab i nanocavity -systemer, der tidligere er udviklet.

Gør det lille hulrum

Teamet brugte en modificeret fremstillingsteknik til at overvinde udfordringen med at belægge nanopillerne med metal. Nanostrukturer, der er høje og tynde, har en tendens til at opleve det, der kaldes skyggeeffekter, fordi nanofabrikationsteknikker bruger en proces, hvor metal falder lige ned på enheden meget som sne.

"Hvis du forestiller dig sne falder på et træ, sneen klamrer sig til sig selv og hober sig op på en gren på en måde, så den danner en større bredde, eller høj, end grenen selv, "sagde Kelaita." Dette sker også, da metal lægges oven på noget som en søjle. Når metallet klæber til sig selv, det skaber en større høj end søjlen under den, forhindrer metal i at falde under de dele, der formørker søjlen. Til sidst, denne skyggeeffekt skaber et luftgab i enheden. "

For at løse dette problem, forskerne roterede og vippede prøven samtidigt for at belægge alle sider af søjlen på én gang. Selv med denne nye tilgang, de var nødt til at være forsigtige med vinklen, hvorunder de afsatte metallet for at undgå at danne en forbindelse mellem metalbelægningen på siderne af søjlen og metallet ovenpå. Hvis der blev dannet en forbindelse, det sidste trin med ultralyds fjernelse af metalhætten ovenpå ville være svært eller umuligt.

"Andre grupper, der arbejder med metal, bør være interesseret i denne teknik, fordi denne skyggeeffekt forekommer selv for funktioner, der er fuldstændigt indkapslet i metal, "sagde Kelaita.

Endnu bedre nanokaviteter

Forskerne arbejder nu på at skabe andre former for nanokaviteter med endnu bedre egenskaber. For eksempel, de vil prøve at lave nanokaviteter i diamant, som kunne tillade enkeltfotonkilder, der fungerer ved stuetemperatur, et centralt krav for at inkorporere kvantekryptering i forbrugerudstyr.

De vil også kombinere den viden, der er opnået fra dette nye arbejde, med en omvendt designalgoritme, de for nylig udviklede til automatisk at designe fotoniske enheder integreret i siliciumchips. Med algoritmen, ingeniører angiver en ønsket funktion, og softwaren indeholder instruktioner til at lave en struktur, der udfører denne funktion.