Forskere skaber ny enhed til at lyse op på vejen for kvanteteknologier

Forskere ved CRANN og Trinity's School of Physics har skabt en innovativ ny enhed, der vil udsende enkelte partikler af lys, eller fotoner, fra kvantepunkter, der er nøglen til praktiske kvantecomputere, kvantekommunikation, og andre kvanteindretninger.

Holdet har foretaget en væsentlig forbedring af tidligere designs i fotoniske systemer via deres enhed, som giver mulighed for kontrollerbare, retningsbestemt emission af enkelte fotoner, og som producerer sammenfiltrede tilstande af par af kvantepunkter.

Qubits og løftet om kvanteberegning

Løftet om kvantecomputere udnytter egenskaberne af kvantebits - "qubits" - til at udføre beregninger. Nuværende computere behandler og gemmer information i bits på enten 0'er eller 1'er, mens qubits kan være 0 og 1 samtidigt. Det betyder, at kvantecomputere vil have meget større beregningsevne end klassiske computere.

Forskere udforsker forskellige muligheder og designs for at gøre kvantecomputere til en levedygtig realitet. En foreslået idé bruger fotoniske systemer, gør brug af lysets kvanteegenskaber på nanoskala, som qubits. Trinity-teamet udforsker et sådant system i deres nyligt publicerede papir i det højprofilerede tidsskrift Nano bogstaver .

Deres system bruger enkelte fotoner af lys, der udsendes på en kontrolleret måde i tid og rum fra kvanteemittere (nanoskala materialer kendt som kvanteprikker). Til applikationer som f.eks. Quantum computing, det er nødvendigt at kontrollere emissioner fra disse prikker og at producere kvantesammenfiltring af emission fra par af disse prikker.

Kvantesammenfiltring er en grundlæggende egenskab ved kvantemekanikken og opstår, når et par eller en gruppe af partikler er kvantemekanisk forbundet på en sådan måde, at kvantetilstanden for hver partikel i parret ikke kan beskrives uafhængigt af de andres tilstand. I det væsentlige, to sammenfiltrede kvanteprikker kan udsende sammenfiltrede fotoner.

Professor John Donegan, CRANN og Trinity's School of Physics, sagde:

"Enheden fungerer ved at placere en metalspids inden for et par nanometer fra en overflade, der indeholder kvanteprikkerne. Spidsen exciteres af lys og producerer et elektrisk felt af så enorm intensitet, at det i høj grad kan øge antallet af enkeltfotoner, der udsendes af prikkerne. . Dette stærke felt kan også koble emission fra par med kvantepunkter, sammenfiltre deres tilstande på en måde, der er unik for kvanteudsendere af lys. "

Den anden væsentlige fordel er den mekanisme, hvormed enheden fungerer i forhold til nuværende avancerede fotoniske enheder til kvanteberegningsapplikationer.

Professor Ortwin Hess, Professor i kvantenanofotonik ved Trinity's School of Physics og CRANN, tilføjet:

"Ved at scanne metalspidsen over overfladen, der indeholder kvanteprikkerne, vi kan generere den enkelt fotonemission efter behov. En sådan enhed er meget enklere end nuværende systemer, der forsøger at fikse en metalspids, eller et hulrum, i umiddelbar nærhed af en kvanteprik. Vi forventer nu, at denne enhed og dens drift vil have en slående effekt på forskning i kvanteemittere til kvanteteknologier. "

Samarbejdet mellem professorerne Hess og Donegan begyndte, mens professor Hess var på Imperial College London og vil fortsætte med sin nylige udnævnelse til Trinity gennem SFI Research Professorship Programme.

Holdet planlægger at fremstille enheder, der vil demonstrere kontrolleret enkeltfotonemission og bidrage stærkt til forskningsindsatsen inden for kvanteteknologier i Irland.