Brug af spejle til at forbedre kvaliteten af ​​lyspartikler

Forskere fra University of Basel's Department of Physics og Swiss Nanoscience Institute har haft held med at forbedre kvaliteten af ​​individuelle fotoner, der genereres af et kvantesystem, dramatisk. Forskerne har med succes omsat en 10 år gammel teoretisk forudsigelse i praksis. Med deres papir, udgivet for nylig i Fysisk gennemgang X , de har taget et vigtigt skridt mod fremtidige anvendelser inden for kvanteinformationsteknologi.

I en årrække, forskere har arbejdet på at bruge elektronspin til at lagre og behandle information. En mulig tilgang er at bruge et kvantesystem, hvor kvantetilstanden af ​​elektronspinningen er forbundet med den af ​​de udsendte lyspartikler (fotoner).

Nitrogen ledige centre (NV-centre) betragtes som en gennemprøvet struktur for denne tilgang, gør det nemt at aflæse og manipulere elektronspin. Disse NV-centre er naturlige defekter i diamantens krystalgitter, som forskere har fået kontrol over de sidste årtier.

Der er brug for bedre fotoner

NV-centre er særligt interessante inden for kvanteinformationsbehandling, da de udsender individuelle fotoner, der bærer information om tilstanden af ​​deres elektronspin. Disse fotoner kan igen skabe kvantesammenfiltring mellem forskellige NV-centre; denne sammenfiltring kan etableres selv over store afstande og kan dermed bruges til datatransmission.

Imidlertid, til applikationer inden for kvanteinformationsteknologi, der vil være behov for væsentlige forbedringer i mængden og frem for alt kvaliteten af ​​de udsendte fotoner, da indtil videre kun en brøkdel af fotonerne kan bruges til at producere sammenfiltring.

Vellykket optimering

Det er nu lykkedes doktorstuderende Daniel Riedel at øge udbyttet af nyttige fotoner fra disse NV-centre fra 3 % til en aktuel værdi på 50 %. Ud over, han har været i stand til næsten at fordoble den hastighed, hvormed fotonerne udsendes.

Riedel opnåede disse betydelige forbedringer ved at placere et nanofremstillet stykke diamant, måler kun et par hundrede nanometer på tværs, mellem to små spejle. Det var allerede blevet beskrevet teoretisk for 10 år siden, at placeringen af ​​NV-centre inde i et hulrum burde øge udbyttet af fotoner. Indtil nu, imidlertid, ingen forskergruppe havde formået at omsætte denne teori i praksis.

Papiret dukkede op som en del af en doktorafhandling ved det schweiziske nanovidenskabsinstituts ph.d.-skole, som blev etableret i 2012. "Vi har overvundet en vigtig forhindring på vejen mod kvanteinternettet, " siger vejleder professor Richard Warburton fra Institut for Fysik ved Universitetet i Basel.

Professor Patrick Maletinsky, som også overvågede arbejdet, tilføjer:"Den unikke kombination af ekspertise inden for fotonik, specielle diamantstrukturer og nanofabrikation her i Basel betød, at det var muligt at overvinde denne 10 år gamle udfordring for første gang."