Silicon nanopillars til kvantekommunikation

Over hele verden arbejder specialister på at implementere kvanteinformationsteknologier. En vigtig vej involverer lys:Når man ser fremad, kan enkelte lyspakker, også kendt som lyskvanter eller fotoner, transmittere data, der er både kodet og effektivt tryksikre. Til dette formål kræves der nye fotonkilder, der udsender enkelt lyskvanter på en kontrolleret måde - og efter behov. Først for nylig er det blevet opdaget, at silicium kan være vært for kilder til enkeltfotoner med egenskaber, der er egnede til kvantekommunikation. Hidtil har ingen dog vidst, hvordan man integrerer kilderne i moderne fotoniske kredsløb.

For første gang har et hold ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nu præsenteret en passende produktionsteknologi ved hjælp af siliciumnanopiller:En kemisk ætsningsmetode efterfulgt af ionbombardement. Deres forskning er offentliggjort i Journal of Applied Physics .

"Silicium- og enkeltfotonkilder på telekommunikationsområdet har længe været det manglende led i at fremskynde udviklingen af ​​kvantekommunikation med optiske fibre. Nu har vi skabt de nødvendige forudsætninger for det," forklarer Dr. Yonder Berencén fra HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, der ledede den aktuelle undersøgelse. Selvom enkeltfotonkilder er blevet fremstillet i materialer som diamanter, er det kun siliciumbaserede kilder, der genererer lyspartikler med den rigtige bølgelængde til at formere sig i optiske fibre - en betydelig fordel for praktiske formål.

Forskerne opnåede dette tekniske gennembrud ved at vælge en vådætsningsteknik - det der er kendt som MacEtch (metalassisteret kemisk ætsning) - i stedet for de konventionelle tørætsningsteknikker til behandling af silicium på en chip. Disse standardmetoder, som tillader skabelsen af ​​fotoniske siliciumstrukturer, bruger meget reaktive ioner. Disse ioner inducerer lysemitterende defekter forårsaget af strålingsskader i silicium. De er dog tilfældigt fordelt og overlejrer det ønskede optiske signal med støj. Metalassisteret kemisk ætsning genererer på den anden side ikke disse defekter – i stedet ætses materialet kemisk væk under en slags metallisk maske.

Målet:Enkeltfotonkilder, der er kompatible med det fiberoptiske netværk

Ved hjælp af MacEtch-metoden fremstillede forskere oprindeligt den enkleste form for en potentiel lysbølgeledende struktur:siliciumnanopiller på en chip. De bombarderede derefter de færdige nanopiller med kulstofioner, ligesom de ville med en massiv siliciumblok, og genererede således fotonkilder indlejret i søjlerne. Anvendelse af den nye ætsningsteknik betyder, at størrelsen, afstanden og overfladedensiteten af ​​nanopillerne kan kontrolleres præcist og justeres, så de er kompatible med moderne fotoniske kredsløb. Per kvadratmillimeter chip leder og samler tusindvis af siliciumnanopiller lyset fra kilderne ved at lede det lodret gennem søjlerne.

Forskerne varierede søjlernes diameter, fordi "vi havde håbet, at dette ville betyde, at vi kunne lave en enkelt defekt på tynde søjler og faktisk generere en enkelt fotonkilde pr. søjle," forklarer Berencén. "Det fungerede ikke perfekt første gang. Til sammenligning, selv for de tyndeste søjler, var dosis af vores kulstofbombardement for høj. Men nu er det kun et kort skridt til enkeltfotonkilder."

Dette er et trin, som teamet allerede arbejder intensivt på, fordi den nye teknik også har udløst noget af et kapløb om fremtidige applikationer.

"Min drøm er at integrere alle de elementære byggeklodser, fra en enkelt fotonkilde via fotoniske elementer til en enkelt fotondetektor, på en enkelt chip og derefter forbinde masser af chips via kommercielle optiske fibre for at danne et modulært kvantenetværk," siger Berencén. + Udforsk yderligere

Enkelte fotoner fra en siliciumchip