Fremstilling af enkelte fotoner fra en strøm af enkelte elektroner

Forskere ved University of Cambridge har udviklet en ny teknik til at generere enkelte fotoner, ved at flytte enkelte elektroner i en specialdesignet lysemitterende diode (LED). Denne teknik, rapporteret i journalen Naturkommunikation , kunne hjælpe med udviklingen af ​​de nye områder inden for kvantekommunikation og kvanteberegning.

En enkelt foton, den elementære partikel af lys, kan bære en kvantebit information over hundreder af kilometer. Derfor, en kilde, der kan generere enkeltfotoner, er en vigtig byggesten i mange kvanteteknologier. Indtil nu, enkeltfotonkilder er blevet lavet i forskningslaboratorier fra selvsamlede kvantepunkter i halvledere, eller strukturelle defekter i diamanter. Dannelsen af ​​disse prikker og defekter er en tilfældig proces, så det er svært at forudsige placeringen og fotonenergien (eller bølgelængden) af disse enkeltfotonkilder. Denne tilfældighed kan udgøre en udfordring ved at integrere en kilde i et stort kvantenetværk.

I denne artikel, forskerne viser, at de kan generere en enkelt foton i en anden, kontrolleret, vej, uden behov for en kvanteprik eller en defekt, ved kun at flytte én elektron ad gangen for at rekombinere med et 'hul' (en manglende elektron i et fyldt 'bånd' af elektroner).

'Forestil dig at prøve at sende en digital besked ved at skyde en strøm af blå eller røde bolde over en væg på følgende måde. Et transportbånd med fordybninger i kuglestørrelse trækker en række hvide kugler op ad en skråning og taber kuglerne fra en klippe for enden. Hver bold tager fart, når den falder, sprøjtes derefter blå eller rød (afhængigt af beskeden), når den hopper af til siden og over væggen ', forklarer Dr. Tzu-Kan Hsiao, der lavede forsøget under sin ph.d. i Cambridge.

`Fordybningerne i transportbåndet kan kun bære én kugle hver.

Kun én bold bliver sprøjtet ad gangen, og der er ingen chance for, at nogle af boldene bliver opsnappet af en aflytning, uden at personen i den modtagende ende bemærker en manglende bold, mens der nogle gange kommer to eller flere bolde ad gangen, aflytteren kan fange ulige bolde, og modtageren er ikke desto klogere. På den måde, noget af meddelelsen kan blive afsløret utilsigtet.'

'I eksperimentet, vi lavede en enhed nær overfladen af ​​Gallium Arsenide (GaAs) ved kun at bruge industrikompatible fremstillingsprocesser. Denne enhed består af et område af elektroner tæt på et område af huller, og en smal kanal imellem ', siger professor Christopher Ford, teamleder af forskningen.

'For kun at transportere én elektron ad gangen, vi sender en lydbølge langs overfladen. I GaAs skaber en sådan ``overfladeakustisk bølge'' også en ledsagende elektrisk potentialbølge, hvor hvert potentielt minimum kun bærer en elektron. Den potentielle bølge, som et transportbånd, bringer individuelle elektroner til området af huller efter hinanden. En række enkelte fotoner genereres, når hver elektron hurtigt rekombinerer med et hul, før den næste elektron ankommer.

Hver enkelt foton kunne gives en af ​​to polariseringer til at bære en besked, således at en aflytning ikke kan opsnappe beskeden uden at blive detekteret.

Ud over at være en ny enkelt-foton kilde, vigtigere, det kan være muligt med denne nye teknik at konvertere tilstanden af ​​et elektronspin til en fotons polarisationstilstand. Ved at bygge bro mellem halvlederbaserede kvantecomputere ved hjælp af enkelte fotoner som 'flyvende' qubits, det ambitiøse mål om at bygge storskala distribuerede kvanteberegningsnetværk kan nås.