Enkelte fotoner fra en siliciumchip

Kvanteteknologi lover godt:Bare et par år fra nu, kvantecomputere forventes at revolutionere databasesøgninger, AI -systemer, og beregningssimuleringer. I dag allerede, kvantekryptografi kan garantere absolut sikker dataoverførsel, omend med begrænsninger. Den størst mulige kompatibilitet med vores nuværende siliciumbaserede elektronik vil være en vigtig fordel. Og det er netop her, fysikere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og TU Dresden har gjort bemærkelsesværdige fremskridt:Teamet har designet en siliciumbaseret lyskilde til at generere enkeltfotoner, der formerer sig godt i glasfibre.

Kvanteteknologi er afhængig af evnen til at kontrollere kvantepartiklers adfærd så præcist som muligt, for eksempel ved at låse individuelle atomer i magnetiske fælder eller ved at sende individuelle lyspartikler - kaldet fotoner - gennem glasfibre. Sidstnævnte er grundlaget for kvantekryptografi, en kommunikationsmetode, der er i princippet, trykfast:Enhver datatyv, der opsnapper fotoner, ødelægger uundgåeligt deres kvanteegenskaber. Afsendere og modtagere af meddelelsen vil bemærke det og kan stoppe den kompromitterede transmission i tide.

Dette kræver lyskilder, der leverer enkeltfotoner. Sådanne systemer findes allerede, især baseret på diamanter, men de har en fejl:"Disse diamantkilder kan kun generere fotoner ved frekvenser, der ikke er egnede til fiberoptisk transmission, "forklarer HZDR -fysikeren Dr. Georgy Astakhov." Hvilket er en væsentlig begrænsning for praktisk brug. "Så Astakhov og hans team besluttede at bruge et andet materiale - det afprøvede elektroniske basismateriale silicium.

100, 000 enkelte fotoner i sekundet

For at få materialet til at generere de infrarøde fotoner, der kræves til fiberoptisk kommunikation, eksperterne udsatte den for en særlig behandling, selektivt at skyde kulstof ind i silicium med en accelerator på HZDR Ion Beam Center. Dette skabte det, der kaldes G-centre i materialet-to tilstødende carbonatomer koblet til et siliciumatom, der dannede en slags kunstigt atom.

Når det udstråles med rødt laserlys, dette kunstige atom udsender de ønskede infrarøde fotoner ved en bølgelængde på 1,3 mikrometer, en frekvens, der er glimrende velegnet til fiberoptisk transmission. "Vores prototype kan producere 100, 000 enkelte fotoner i sekundet, "Astakhov rapporterer." Og det er stabilt. Selv efter flere dages kontinuerlig drift, vi har ikke observeret nogen forringelse. "Dog, systemet fungerer kun under ekstremt kolde forhold - fysikerne bruger flydende helium til at afkøle det til en temperatur på minus 268 grader Celsius.

"Vi var i stand til for første gang at vise, at en siliciumbaseret enkelt-fotonkilde er mulig, "Astakhovs kollega Dr. Yonder Berencén rapporterer gerne." Dette gør det dybest set muligt at integrere sådanne kilder med andre optiske komponenter på en chip. "Blandt andet det ville være interessant at koble den nye lyskilde med en resonator for at løse det problem, at infrarøde fotoner stort set kommer tilfældigt fra kilden. Til brug i kvantekommunikation, imidlertid, det ville være nødvendigt at generere fotoner efter behov.

Lyskilde på en chip

Denne resonator kunne indstilles til nøjagtigt at ramme lyskildens bølgelængde, hvilket ville gøre det muligt at øge antallet af genererede fotoner til det punkt, at de til enhver tid er tilgængelige. "Det er allerede bevist, at sådanne resonatorer kan bygges i silicium, "rapporterer Berencén." Det manglende led var en siliciumbaseret kilde til enkelte fotoner. Og det er præcis det, vi nu har kunnet skabe. "

Men før de kan overveje praktiske anvendelser, HZDR-forskerne skal stadig løse nogle problemer-såsom en mere systematisk produktion af de nye telekommunikationskilder. "Vi vil forsøge at implantere kulstoffet i silicium med større præcision, "forklarer Georgy Astakhov." HZDR med sit Ion Beam Center giver en ideel infrastruktur til at realisere ideer som denne. "