Nye kvanteprikker letter kobling til kvantehukommelsessystemer

Forskere ved universitetet i Basel og Ruhr-Universität Bochum har indset kvanteprikker - bittesmå halvledernanostrukturer - der udsender lys tæt på den røde del af spektret med ultralav baggrundsstøj. Kvanteprikker kan en dag udgøre grundlaget for kvantecomputere; de lette partikler, også kaldet fotoner, ville så fungere som informationsbærere. Kvanteprikker med tilstrækkelige optiske egenskaber var tidligere kun blevet opnået for fotoner med bølgelængder i det nær-infrarøde område. Nu, det er lykkedes forskerne at skabe støjsvage tilstande ved bølgelængder mellem 700 og 800 nanometer, dvs. tæt på det synlige røde område. Dette ville, for eksempel, muliggør kobling til andre fotoniske systemer. De beskriver deres resultater i journalen Naturkommunikation fra 21. september 2020.

Der kræves forskellige bølgelængder

Systemer til kvantekommunikation kræver fotoner med forskellige bølgelængder. Til kommunikation over lange afstande, hovedkravet er at undgå signaltab; bølgelængder omkring 1, 550 nanometer kan bruges til dette formål. Til korte afstande, på den anden side, Der er brug for fotoner, der kan detekteres så effektivt som muligt og forbindes med andre kvantehukommelsessystemer. Dette ville være muligt med rødt lys, eller mere præcist med bølgelængder mellem 700 og 800 nanometer. Aktuelt tilgængelige fotondetektorer har deres højeste følsomhed i dette område. I øvrigt, lette partikler med denne frekvens kunne kobles med et rubidiumlagringssystem.

For at information i et kvantesystem kan kodes præcist, manipuleret og læst op, stabil optisk emission er afgørende. Det er præcis, hvad forskerne nu har opnået for fotoner nær det synlige røde område.

Lavere aluminiumindhold er nøglen til succes

Projektet var et samarbejde mellem et team af unge fysikere ledet af professor Richard Warburton fra den Basel-baserede Nano-Photonics Group og professor Andreas Wieck, Dr. Arne Ludwig, Dr. Julian Ritzmann og kolleger fra lærestolen for anvendt faststoffysik i Bochum. Forskerne konverterede kvanteprikkerne i en halvleder lavet af galliumarsenid. Da systemet skal køles med flydende helium, den fungerer ved lave temperaturer på minus 269 grader Celsius.

En af hovedudfordringerne var at designe en diode med gallium-arsenid kvanteprikker, der pålideligt udsender fotoner ved disse lave temperaturer. Det Bochum-baserede team producerede aluminium-gallium-arsenidlag med en lavere aluminiumkoncentration end normalt, hvilket forbedrede lagenes ledningsevne og stabilitet. Nano-Photonics-holdet brugte derefter dette materiale til eksperimenterne i Basel.

Koblet system i gang

I næste trin, forskerne planlægger at kombinere de nyudviklede kvanteprikker med en rubidium kvantehukommelsesenhed. Sådanne hybridstrukturer ville være et første skridt mod praktiske anvendelser i fremtidige kvantekommunikationsnetværk.