Første skridt mod fotonisk kvante netværk

Avancerede fotoniske nanostrukturer er godt i gang med at revolutionere kvanteteknologi til kvantenetværk baseret på lys. Forskere fra Niels Bohr -instituttet har nu udviklet de første byggesten, der er nødvendige for at konstruere komplekse kvantefotoniske kredsløb til kvantenetværk. Denne hurtige udvikling i kvante netværk fremhæves i en artikel i tidsskriftet Natur .

Kvanteteknologi baseret på lys (fotoner) kaldes kvantefotonik, mens elektronik er baseret på elektroner. Fotoner (lyspartikler) og elektroner opfører sig forskelligt på kvanteniveau. En kvanteenhed er den mindste enhed i den mikroskopiske verden. For eksempel, fotoner er den grundlæggende bestanddel af lys og elektroner af elektrisk strøm. Elektroner er såkaldte fermioner og kan let isoleres for at lede strøm én elektron ad gangen. I modsætning hertil er fotoner bosoner, som foretrækker at samle sig. Men da information til kvantekommunikation baseret på fotonik er kodet i en enkelt foton, det er nødvendigt at udsende og sende dem en ad gangen.

Øget informationskapacitet

Information baseret på fotoner har store fordele; fotoner interagerer kun meget svagt med miljøet - i modsætning til elektroner, så fotoner mister ikke meget energi undervejs og kan derfor sendes over lange afstande. Fotoner er derfor meget velegnede til at transportere og distribuere information, og et kvante netværk baseret på fotoner vil være i stand til at kode meget mere information, end det er muligt med den nuværende computerteknologi, og oplysningerne kunne ikke opsnappes undervejs.

Mange forskningsgrupper rundt om i verden arbejder intensivt på dette forskningsområde, som udvikler sig hurtigt og faktisk begynder de første kommercielle kvantefotoniske produkter at blive fremstillet.

Kontrol af fotoner

En forudsætning for kvantenetværk er evnen til at skabe en strøm af enkeltfotoner på forespørgsel, og det lykkedes forskerne ved Niels Bohr -instituttet at gøre netop det.

"Vi har udviklet en fotonisk chip, som fungerer som en fotonpistol. Den fotoniske chip består af en ekstremt lille krystal, der er 10 mikron bred og er 160 nanometer tyk. Indlejret i midten af ​​chippen er en lyskilde, som er en såkaldt kvantepunkt. Oplysning af kvantepunktet med laserlys ophidser en elektron, som derefter kan hoppe fra en bane til en anden og derved udsende en enkelt foton ad gangen. Fotoner udsendes normalt i alle retninger, men den fotoniske chip er designet, så alle fotonerne sendes ud gennem en fotonisk bølgeleder, "forklarer Peter Lodahl, professor og leder af Quantum Photonics -forskergruppen ved Niels Bohr Institute, Københavns Universitet.

I lang tid, besværlig proces, forskergruppen videreudviklede og testede den fotoniske chip, indtil den opnåede ekstrem effektivitet, og Peter Lodahl forklarer, at det var særligt overraskende, at de kunne få fotonemissionen til at forekomme på en måde, som man ikke tidligere troede var mulig. Normalt, fotonerne transmitteres i begge retninger i den fotoniske bølgeleder, men i deres specialfremstillede fotoniske chip kunne de bryde denne symmetri og få kvantepunktet til at skelne mellem at udsende en foton til højre eller venstre, det betyder at udsende retningsfotoner. Det betyder fuld kontrol over fotonerne, og forskerne begynder at undersøge, hvordan man konstruerer komplette kvantenetværkssystemer baseret på den nye opdagelse.

"Fotonerne kan sendes over lange afstande via optiske fibre, hvor de suser gennem fibrene med meget lille tab. Du kan potentielt bygge et netværk, hvor fotonerne forbinder små kvante systemer, som derefter bindes sammen til et kvante netværk - et kvante internet, ”forklarer Peter Lodahl.

Han tilføjer, at selvom de første grundlæggende funktioner allerede er en realitet, den store udfordring er nu at udvide dem til store, komplekse kvante netværk.