Enkelt fotonemitter tager et skridt tættere på kvanteteknologi

For at komme tættere på kvanteteknologi er vi nødt til at udvikle ikke-klassiske lyskilder, der kan udsende en enkelt foton ad gangen og gøre det efter behov. Forskere ved EPFL har nu designet en af ​​disse "single photon emitters", der kan arbejde ved stuetemperatur og er baseret på kvanteprikker dyrket på omkostningseffektive siliciumsubstrater.

Udvikling af ikke-klassiske lyskilder, der kan udsende, on-demand, præcis én foton ad gangen, er et af hovedkravene til kvanteteknologier. Men selvom den første demonstration af en sådan "single photon emitter", eller SPE, går tilbage til 1970'erne, har deres lave pålidelighed og effektivitet stået i vejen for enhver meningsfuld praktisk brug.

Konventionelle lyskilder som glødepærer eller LED'er udsender bundter af fotoner ad gangen. Med andre ord er deres sandsynlighed for at udsende en enkelt foton ad gangen meget lav. Laserkilder kan udsende strømme af enkelte fotoner, men ikke on-demand, hvilket betyder, at der nogle gange ikke udsendes nogen fotoner, når vi ønsker det.

Så den største fordel ved SPE'er er, at de kan gøre begge dele:udsende en enkelt foton og gøre det on-demand - eller i mere tekniske termer, deres enkeltfoton-renhed, som de kan opretholde i en ultrahurtig tidsramme. For at en lyskilde kan kvalificeres som en SPE, skal den således have en enkeltfoton-renhed på over 50 %; selvfølgelig, jo tættere på 100 %, jo tættere vil vi være på en ideel SPE.

Forskere ved EPFL, ledet af professor Nicolas Grandjean, har nu udviklet "lyse og rene" SPE'er baseret på halvlederkvanteprikker med brede bånd, dyrket på omkostningseffektive siliciumsubstrater.

Kvanteprikkerne er lavet af galliumnitrid og aluminiumnitrid (GaN/AlN) og har en enkeltfoton-renhed på 95 % ved kryogene temperaturer, samtidig med at de bibeholder fremragende god modstandsdygtighed ved højere temperaturer, med en renhed på 83 % ved stuetemperatur.

SPE'en viser også fotonemissionshastigheder på op til 1 MHz, mens den bibeholder en enkelt-foton-renhed på over 50%. "En sådan lysstyrke op til stuetemperatur er mulig på grund af GaN/AlN kvanteprikkernes unikke elektroniske egenskaber, som bevarer enkeltfotonens renhed på grund af det begrænsede spektrale overlap med konkurrerende naboelektronisk excitation," siger Stachurski, Ph.D. . studerende, der undersøgte disse kvantesystemer.

"Et meget tiltalende træk ved GaN/AlN kvanteprikker er, at de tilhører III-nitrid-halvlederfamilien, nemlig den bag solid-state belysningsrevolutionen (blå og hvide LED'er), hvis betydning blev anerkendt af Nobelprisen i fysik i 2014 ", fastslår forskerne. "Det er i dag den anden halvlederfamilie med hensyn til forbrugermarkedet lige efter silicium, der dominerer den mikroelektroniske industri. Som sådan nyder III-nitrider godt af en solid og moden teknologisk platform, som gør dem af høj potentiel interesse for udvikling af kvanteapplikationer ."

Et vigtigt fremtidigt skridt vil være at se, om denne platform kan udsende én foton og kun én per laserpuls, hvilket er en væsentlig forudsætning for at bestemme dens effektivitet.

"Da vores elektroniske excitationer udviser stuetemperaturlevetider så korte som 2 til 3 milliardtedele af et sekund, kunne enkelte fotonhastigheder på flere titus af MHz være inden for rækkevidde," siger forfatterne. "Kombineret med resonant laser excitation, som er kendt for at forbedre renheden af ​​enkeltfoton markant, kunne vores kvantepunktplatform være af interesse for implementering af rumtemperatur kvantenøglefordeling baseret på en ægte SPE, i modsætning til nuværende kommercielle systemer, der kører med svækkede laserkilder."

Forskningen blev offentliggjort i Light:Science &Applications . + Udforsk yderligere

Enkeltfotonkilde baner vejen for praktisk kvantekryptering