Aftræksfri lys-stof interaktion

En effektiv lys-stof-grænseflade kan udgøre grundlaget for kvantekommunikation. Imidlertid, visse strukturer, der dannes under vækstprocessen, forstyrrer signalet.

Visse halvlederstrukturer, såkaldte kvanteprikker, kan udgøre grundlaget for kvantekommunikation. De er en effektiv grænseflade mellem stof og lys, med fotoner (lyspartikler), der udsendes af kvanteprikkerne, der transporterer information over store afstande. Imidlertid, strukturer dannes som standard under fremstillingen af ​​kvanteprikker, der forstyrrer kommunikationen. Forskere ved universitetet i Basel, Ruhr-Universität Bochum, og Forschungszentrum Jülich har nu med succes elimineret disse forstyrrelser. De har offentliggjort deres rapport i tidsskriftet Kommunikationsfysik fra 9. august 2019.

Lette partikler, der er i stand til at transportere information over store afstande

Kvanteprikker kan realiseres i halvledere, hvis forskere låser en elektron og et elektronhul - dvs. en positiv ladning i en position, hvor en elektron burde eksistere - i et indsnævret rum. Sammen, elektron og elektronhul danner en exciteret tilstand. Når de kombineres igen, den exciterede tilstand forsvinder, og der dannes en foton. "Den foton kan være brugbar som informationsbærer i kvantekommunikation over store afstande, " siger Dr. Arne Ludwig fra lærestolen for anvendt faststoffysik i Bochum.

Kvanteprikkerne fremstillet i Bochum er genereret i halvledermaterialet indiumarsenid. Forskerne dyrker materialet på et galliumarsenidsubstrat. I processen, et glat indiumarsenidlag dannes i en tykkelse på blot halvandet atomlag - det såkaldte befugtningslag. Efterfølgende forskerne genererer små øer med en diameter på 30 nanometer og en højde på nogle få nanometer. Disse er kvanteprikkerne.

Interfererende fotoner fra befugtningslaget

Befugtningslaget, der skal aflejres i det første trin, giver problemer, fordi det, også, indeholder exciterede elektronhultilstande, der henfalder og kan frigive fotoner. I befugtningslaget, disse tilstande henfalder endnu lettere end i kvanteprikkerne. De fotoner, der udsendes i processen, kan ikke bruges i kvantekommunikation, imidlertid; hellere, de genererer en statisk støj i systemet.

"Befugtningslaget dækker hele overfladen, mens kvanteprikkerne kun dækker en tusindedel af halvlederchippen, hvilket er grunden til, at det forstyrrende lys er cirka tusind gange stærkere end det lys, der udsendes af kvanteprikkerne, " forklarer Andreas Wieck, Leder af lærestolen for anvendt faststoffysik i Bochum. "Befugtningslaget udstråler fotoner med en lidt højere frekvens og med en meget højere intensitet end kvanteprikkerne. Det er som om kvanteprikkerne udsendte kammerpitch A, hvorimod befugtningslaget udsendte et B, der var tusind gange højere."

Ekstra lag eliminerer interferenser

"Vi har været i stand til at ignorere disse interferenser ved kun at ophidse de nødvendige energitilstande, " siger Matthias Löbl fra universitetet i Basel. "Men, hvis kvanteprikker skal bruges som informationsenheder til kvanteapplikationer, det kunne være ideelt at lade dem med flere elektroner. Men i så fald energiniveauerne i befugtningslaget ville ligeledes være exciterede, " tilføjer Arne Ludwig.

Forskerholdet har nu elimineret denne interferens ved at tilføje et aluminiumsarsenidlag, der er vokset over kvanteprikkerne i befugtningslaget. Energitilstandene i befugtningslaget fjernes således, hvilken, på tur, gør det mindre sandsynligt for elektroner og elektronhuller at rekombinere og udsende fotoner.