Nye kvanteprikker til kvantenetværk

Forskere fra Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN) ved Osaka University har i samarbejde med Canadian National Research Council (NRC) udviklet en galliumarsenid (GaAs) kvanteprik, der kan fange individuelle elektroner. Ved at kontrollere den krystallografiske orientering af substratet håber forskerholdet at optimere omdannelsen af ​​fotoner til spin-polariserede elektroner. Dette arbejde kan hjælpe med at gøre kvantenetværk mere praktiske, især til kryptering af sikre data.

Hver computer eller tablet, du har ejet, er baseret på beregninger ved hjælp af ladningen af ​​elektroner. Mens nuværende elektroniske enheder har opnået fantastiske præstationer af behandlingshastighed, mens de er blevet stadig mindre, er der mulighed for, at producenterne en dag snart kan komme op på grundlæggende grænser for, hvad der kan gøres ved hjælp af konventionelle metoder. Et lovende alternativ er også at bruge elektronernes iboende magnetiske moment, kaldet "spin". Fordi disse spins kan sættes i en superposition af både op og ned samtidigt, åbner det vejen for kvantecomputere, der muligvis kan løse visse problemer meget hurtigere end nuværende hardware. Spin kan også bruges som medium for kvantekommunikation ved at overføre kvanteinformation med lys. Men denne proces med at overføre information til spin af ekstremt små elektroner er udfordrende og skal udføres effektivt.

Nu har et team af forskere ledet af Osaka University realiseret verdens første GaAs gate-kontrollerede kvantepunktkredsløb på en (110)-orienteret overflade, der lover at øge effektiviteten af ​​foton-elektron spin konvertering (se fig. 1). Dette har den effekt, at det koder kvanteinformation fra indfaldende fotoner ind i elektronspin. "Vi mener, at vores forskning er den første demonstration af et gate-defineret kvantepunktkredsløb, der også har ladedetekteringsevner ved at bruge denne særlige orientering af et GaAs-substrat," siger førsteforfatter Tomohiro Nakagawa.

Foton-elektron spin konvertering udføres ved at excitere en elektron og et hul via absorption af en foton. Mens der er to typer huller, tunge og lette, er der traditionelt kun blevet brugt lette huller i GaAs kvantepunktkredsløb på (001)-orienterede overflader. På grund af den måde, hvorpå hullet interagerer med GaAs-krystalgitteret, kan g-faktoren, som hjælper med at bestemme det magnetiske moment, der er resultatet af spindet, effektivt være forskellig i forskellige kryptografiske orienteringer. Denne funktion giver mulighed for effektiv konvertering af kvanteinformation ved at bruge en tung hultilstand, hvilket plejede at være umuligt for konventionelle substrater. I fremtiden kan dette være en del af en protokol til afsendelse af ukrakkelige kvantehemmelige nøgler til sikring af følsomme data. "En anvendelse af vores arbejde kan være absolut sikker kvantekryptografisk kommunikation over lange afstande," siger den tilsvarende forfatter Akira Oiwa.

Dette arbejde er opnået som en del af et stærkt internationalt samarbejde med NRC. "At samle komplementær ekspertise, knowhow og faciliteter kan i høj grad fremskynde arbejdet i retning af de fælles mål for begge grupper, i dette tilfælde udviklingen af ​​kvantenetværk. Internationalt samarbejde vil være afgørende for fremme af kvantenetværksteknologier over de kommende årtier," siger NRC Senior Research Officer David G. Austing. + Udforsk yderligere

En nanoantenne til ultrasikker kommunikation på lang afstand