Uadskillelige fotoner er nøglen til at fremme kvanteteknologier

For virkelig at tage fart, avanceret kvanteinformationsbehandling vil kræve at få en bedre (eksperimentel) forståelse af et væsentligt fænomen kaldet "ikke skelne fotoner." En høj grad af "ikke kan skelnes" kræver næsten fuldstændig bølgepakkeoverlapning, eller perfekt fotonmatchning, af energi, plads, tid og polarisering.

Mens mange typer enkelt-fotonemittere, såsom halvlederkvantumpunkter, allerede har demonstreret dannelse af fotoner, der ikke kan skelnes, en gruppe forskere fra University of Tsukuba og Japans National Institute for Materials Science søgte at bruge et nitrogenforureningscenter, der findes i III-V-sammensatte halvledere som en ny enkeltfotonkilde. De rapporterer deres resultater i denne uge i journalen Anvendt fysik bogstaver .

Nitrogenluminescenscentre i III-V sammensatte halvledere, sammensat af elementer i kolonner III og IV i det periodiske system, såsom GaA'er, viser et skarpt emissionsspektrum svarende til en energitilstand kendt som en "isoelektronisk fælde." Enkeltfotongenerering fra disse isoelektroniske fælder er yderst ønskelig på grund af den homogenitet, det giver, udsender fotoner fra flere centre med samme energi.

"Vores undersøgelser bekræftede, at isoelektroniske fælder faktisk har en lang sammenhængstid, hvilket er en af ​​de nødvendige betingelser for at skabe en foton, der ikke kan skelnes, "sagde Michio Ikezawa, lektor ved Pure and Applied Sciences, Universitetet i Tsukuba.

Til undersøgelsen, gruppen vurderede først skelnen mellem fotoner udsendt fra et luminescenscenter i nitrogen-delta-dopede GaA'er ved to-fotoninterferens. De undersøgte også dens tidsafhængighed, som afslørede vigtige oplysninger om tidsskalaen for dekoherens (sagde en anden måde, når kvantesystemet slører og viser klassisk tilstandsadfærd), der kan være udfordrende at opnå via andre metoder.

Til dette arbejde, "emissionscentret", der fungerer som en isoelektronisk fælde, dannes af urenheden i GaA'er, hvor nitrogen har erstattet arsen. "Når prøven er fotoeksciteret, hver fælde kan fange et elektron-hul-par og udsende en enkelt foton ved en radiativ rekombination af dem, "Sagde Ikezawa.

Disse nitrogenforureninger "dopes derefter i et meget tyndt todimensionalt lag ved hjælp af den såkaldte delta-dopingteknik under metalorganisk kemisk dampaflejringsvækst, "Sagde Ikezawa." Ved hjælp af denne teknik, et enkelt luminescenscenter kan vælges med et konventionelt optisk mikroskop. "

Måling af skelnen gav overraskende indsigt. "Skelnen var 0,24, som var uafhængig af tidsintervallet mellem 2 til 4 nanosekunder, "Sagde Ikezawa." Dette var noget overraskende sammenlignet med tidligere undersøgelser af kvantepunkter, og vi konkluderede, at der er en meget hurtig affasningsmekanisme inden for 2 nanosekunder i vores prøve. "

Gruppens resultater er vigtige, ikke bare fordi de er den første demonstration af måling af to-foton-interferens af ikke-adskilte fotoner, der er skabt af urenhedscentre i III-IV-halvledere, men også fordi de udforsker ligheder og forskelle med typiske kvanteprikker for dekohærensmekanismer.

For så vidt angår ansøgninger, "Fotoner, der ikke kan skelnes, er meget vigtige for kvanteinformationsteknologi, såsom kvanteteleportation og lineær optisk kvanteberegning, "Ikezawa sagde." Vores mål er at være i stand til at tilvejebringe mange fotonkilder, der genererer uadskillelige fotoner i en integreret form i en halvlederchip. "

Mens halvlederkvantumpunkter er blevet intensivt undersøgt med lignende formål, "Det er principielt svært at gøre energien af ​​fotoner opnået fra mange kvantepunkter den samme, så de ikke kan skelnes fra hinanden, "Sagde Ikezawa." Den skelnen, der blev opnået denne gang, var ikke høj nok. Det menes at være forårsaget af den hurtige afslapningsmekanisme, vi rapporterede, så en fremtidig opgave vil være at afklare mekanismen og finde en metode til at undertrykke den. "