Nanorør åbner en ny vej mod kvanteinformationsteknologier

I optisk kommunikation, kritisk information lige fra et kreditkortnummer til nationale sikkerhedsdata transmitteres i strømme af laserimpulser. Imidlertid, den information, der transmitteres på denne måde, kan stjæles ved at udspalte nogle få fotoner (lyskvantum) af laserimpulsen. Denne type aflytning kunne forhindres ved at indkode bits af information om kvantemekaniske tilstande (f.eks. polarisationstilstand) af enkelte fotoner. Evnen til at generere enkelte fotoner på efterspørgsel er nøglen til realisering af en sådan kommunikationsordning.

Ved at demonstrere, at inkorporering af uberørte enkeltvæggede kulstofnanorør i en siliciumdioxid (SiO2) matrix kunne føre til dannelse af en solitær iltdotering, der er i stand til at være fri for fluktuationer, enkelt fotonemission ved stuetemperatur, Los Alamos-forskere afslørede en ny vej mod on-demand-generering af enkeltfoton. Natur nanoteknologi offentliggjort deres resultater.

Fotoner udsendt fra lasere er fordelt tilfældigt i tid. Derfor, "samtidig" emission af to eller flere fotoner er mulig. Ægte enkeltfotongenerering kræver et isoleret kvantemekanisk to-niveau system, der kun kan udsende én foton i én excitations-emissionscyklus. Teknologiske krav til materialer til kvantekommunikation omfatter evnen til at generere enkelte fotoner i 1, 300 – 1, 500 nanometer (nm) telekommunikationsbølgelængdeområde ved stuetemperatur og kompatibilitet med siliciummikrofremstillingsteknologi for at muliggøre elektrisk stimulering og integration af andre elektroniske og fotoniske netværkskomponenter. Tidligere undersøgelser afslørede, at kulstofnanorør udgør tekniske udfordringer til brug i kvantekommunikation:1) materialerne var kun i stand til enkeltfotonemission ved kryogen temperatur, og 2) deres ineffektive emission havde stærke udsving og nedbrydning.

Laboratoriets nye forskning har vist, at inkorporering af uberørte kulstofnanorør i en siliciumdioxid (SiO2) matrix kan føre til inkorporering af solitære ilt-doperingstilstande, der er i stand til at fluktuere fri, stuetemperatur enkeltfotonemission i bølgelængdeområdet 1100 - 1300 nm.

De oxygen-doterede nanorør kan indkapsles i et SiO2-lag aflejret på en siliciumwafer. Dette giver mulighed for at anvende veletablerede mikro-elektroniske fremstillingsteknologier til udvikling af elektrisk drevne enkeltfotonkilder og integration af disse kilder i kvantefotoniske enheder og netværk. Ud over implementering af kvantekommunikationsteknologier, nanorør-baserede enkeltfotonkilder kunne muliggøre transformative kvanteteknologier, herunder ultrafølsomme absorptionsmålinger, sub-diffraktionsbilleddannelse, og lineær kvanteberegning. Materialet har potentiale for fotonisk, plasmonisk, optoelektronisk, og kvanteinformationsvidenskabelige applikationer.

Ved at bruge en avanceret fotondetektor, holdet målte den tidsmæssige fordeling af to på hinanden følgende fotonemissionsbegivenheder og demonstrerede enkelt fotonemission. Ud over, holdet undersøgte effekten af ​​temperatur på fotoluminescens emissionseffektivitet, udsving, og henfaldsdynamik i dopingtilstandene i det enkeltvæggede carbonnanorør. Forskerne fastslog de betingelser, der var bedst egnede til observation af enkeltfoton-emission. I princippet, emissionen kunne indstilles til 1500 nm via doping af mindre båndgab enkeltvæggede kulstof nanorør. Dette er en klar fordel sammenlignet med nogle andre materialer, hvor enkelt fotonemission kun er mulig for nogle få diskrete bølgelængder kortere end 1 µm.