Uberørt kvante lyskilde skabt ved kanten af ​​siliciumchippen

Den mindste mængde lys, du kan have, er en foton, så svagt, at det stort set er usynligt for mennesker. Selvom det er umærkeligt, disse små energiflip er nyttige til at transportere kvanteinformation rundt. Ideelt set, hver kvantekurer ville være den samme, men der er ikke en ligetil måde at producere en strøm af identiske fotoner. Dette er især udfordrende, når individuelle fotoner kommer fra fremstillede chips.

Nu, forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) har demonstreret en ny tilgang, der gør det muligt for forskellige enheder gentagne gange at udsende næsten identiske enkeltfotoner. Holdet, ledet af JQI Fellow Mohammad Hafezi, lavet en siliciumchip, der leder lys rundt om enhedens kant, hvor den iboende er beskyttet mod forstyrrelser. Tidligere har Hafezi og kolleger viste, at dette design kan reducere sandsynligheden for optisk signalforringelse. I et papir udgivet online den 10. september i Natur , teamet forklarer, at den samme fysik, som beskytter lyset langs chipens kant, også sikrer pålidelig fotonproduktion.

Enkelte fotoner, som er et eksempel på kvantelys, er mere end bare virkelig svagt lys. Denne sondring har meget at gøre med, hvor lyset kommer fra. "Stort set alt det lys, vi møder i vores hverdag, er fyldt med fotoner, "siger Elizabeth Goldschmidt, en forsker ved US Army Research Laboratory og medforfatter på undersøgelsen. "Men i modsætning til en pære, der er nogle kilder, der faktisk udsender lys, en foton ad gangen, og dette kan kun beskrives ved kvantefysik, "tilføjer Goldschmidt.

Mange forskere arbejder på at bygge pålidelige kvantelysemittere, så de kan isolere og kontrollere kvanteegenskaberne for enkeltfotoner. Goldschmidt forklarer, at sådanne lyskilder sandsynligvis vil være vigtige for fremtidige kvanteinformationsenheder samt yderligere forståelse af kvantefysikkens mysterier. "Moderne kommunikation er stærkt afhængig af ikke-kvantelys, "siger Goldschmidt." Tilsvarende mange af os mener, at der vil kræves enkelte fotoner til enhver form for kvantekommunikationsapplikation derude. "

Forskere kan generere kvantelys ved hjælp af en naturlig farveændrende proces, der opstår, når en lysstråle passerer gennem bestemte materialer. I dette eksperiment brugte teamet silicium, et fælles industrielt valg til styring af lys, at konvertere infrarødt laserlys til par af forskellige farvede enkeltfotoner.

De sprøjtede lys ind i en chip indeholdende en række minimale siliciumsløjfer. Under mikroskopet, sløjferne ligner sammenkædede glasagtige racerbaner. Lyset cirkulerer rundt om hver sløjfe tusinder af gange, før det går videre til en nærliggende sløjfe. Strakt ud, lysets vej ville være flere centimeter lang, men sløjferne gør det muligt at passe rejsen i et rum, der er omkring 500 gange mindre. Den relativt lange rejse er nødvendig for at få mange par enkeltfotoner ud af siliciumchippen.

Sådanne loop -arrays bruges rutinemæssigt som enkeltfotonkilder, men små forskelle mellem chips vil få fotonfarverne til at variere fra den ene enhed til den næste. Selv inden for en enkelt enhed, tilfældige defekter i materialet kan reducere den gennemsnitlige fotonkvalitet. Dette er et problem for kvanteinformationsapplikationer, hvor forskere har brug for, at fotonerne er så tæt på identiske som muligt.

Teamet omgåede dette problem ved at arrangere sløjferne på en måde, der altid tillader lyset at bevæge sig uforstyrret rundt om kanten af ​​chippen, selvom der er fabrikationsfejl. Dette design beskytter ikke kun lyset mod forstyrrelser - det begrænser også, hvordan enkelte fotoner dannes inden for disse kantkanaler. Loop -layoutet tvinger i det væsentlige hvert fotonpar til at være næsten identisk med det næste, uanset mikroskopiske forskelle mellem ringene. Den centrale del af chippen indeholder ikke beskyttede ruter, og derfor påvirkes alle fotoner, der er oprettet i disse områder, af materialefejl.

Forskerne sammenlignede deres chips med dem uden nogen beskyttede ruter. De samlede par fotoner fra de forskellige chips, tælle det udsendte tal og notere deres farve. De observerede, at deres kvante lyskilde pålideligt producerede høj kvalitet, enkeltfarvede fotoner igen og igen, der henviser til, at den konventionelle chips output var mere uforudsigelig.

"Vi troede oprindeligt, at vi skulle være mere forsigtige med designet, og at fotonerne ville være mere følsomme over for vores chips fremstillingsproces, "siger Sunil Mittal, en JQI postdoktoral forsker og hovedforfatter på det nye studie. "Men, forbløffende, fotoner genereret i disse afskærmede kantkanaler er altid næsten identiske, uanset hvor dårlige chipsene er. "

Mittal tilføjer, at denne enhed har en ekstra fordel i forhold til andre enkelte fotonkilder. "Vores chip fungerer ved stuetemperatur. Jeg behøver ikke at afkøle den til kryogene temperaturer som andre kvante lyskilder, hvilket gør det til en forholdsvis meget enkel opsætning. "

Teamet siger, at dette fund kunne åbne op for en ny forskningsvej, som forener kvantelys med fotoniske enheder med indbyggede beskyttelsesegenskaber. "Fysikere har først for nylig indset, at afskærmede veje fundamentalt ændrer den måde, hvorpå fotoner interagerer med stof, "siger Mittal." Dette kan have konsekvenser for en række områder, hvor lys-stof-interaktioner spiller en rolle, herunder kvanteinformationsvidenskab og optoelektronisk teknologi. "