En kompakt, effektiv enkeltfotonkilde, der fungerer ved omgivende temperaturer på en chip

Kvanteinformationsvidenskab og -teknologi er dukket op som et nyt paradigme for dramatisk hurtigere beregning og sikker kommunikation i det 21. århundrede. I hjertet af ethvert kvantesystem er den mest basale byggesten, kvantebit eller qbit, som bærer den kvanteinformation, der kan overføres og behandles (dette er kvanteanalogen af ​​den bit, der bruges i nuværende informationssystemer). Den mest lovende carrier qbit for i sidste ende hurtig, overførsel af kvanteinformation over lang afstand er fotonen, lysets kvanteenhed.

Udfordringen for videnskabsmænd er at producere kunstige kilder til fotoner til forskellige kvanteinformationsopgaver. En af de største udfordringer er udviklingen af ​​effektive, skalerbare fotonkilder, der kan monteres på en chip og fungere ved stuetemperatur. De fleste kilder, der bruges i laboratorier i dag, skal være meget kolde (ved temperaturen af ​​flydende helium, omkring -270C), som kræver store og dyre køleskabe. Mange kilder udsender også fotoner i udefinerede retninger, gør effektiv indsamling til et svært problem.

Nu, et team af videnskabsmænd fra det hebraiske universitet i Jerusalem har demonstreret en effektiv og kompakt enkelt fotonkilde, der kan fungere på en chip ved omgivende temperaturer. Ved at bruge små nanokrystaller lavet af halvledende materialer, forskerne udviklede en metode, hvor en enkelt nanokrystal præcist kan placeres oven på en specialdesignet og omhyggeligt fremstillet nano-antenne.

På samme måde dirigerer store antenner på hustage emission af klassiske radiobølger til mobil- og satellittransmissioner, nano-antennen rettede effektivt de enkelte fotoner udsendt fra nanokrystallerne ind i en veldefineret retning i rummet. Denne kombinerede nanokrystaller-nanoantenne-enhed var i stand til at producere en meget retningsbestemt strøm af enkelte fotoner, der alle fløj i samme retning med en rekordlav divergensvinkel. Disse fotoner blev derefter indsamlet med en meget simpel optisk opsætning, og sendt til at blive detekteret og analyseret ved hjælp af enkeltfotondetektorer.

Holdet demonstrerede, at denne hybridenhed forbedrer opsamlingseffektiviteten af ​​enkelte fotoner med mere end en faktor 10 sammenlignet med en enkelt nanokrystal uden antennen, uden behov for komplekse og omfangsrige optiske opsamlingssystemer, der bruges i mange andre eksperimenter. Eksperimentelle resultater viser, at næsten 40% af fotonerne let opsamles med et meget simpelt optisk apparat, og over 20% af fotonerne udsendes i en meget lav numerisk blændeåbning, en 20-fold forbedring i forhold til en fritstående kvanteprik, og med en sandsynlighed på mere end 70 % for en enkelt fotonemission. Enkeltfotons renhed er kun begrænset af emission fra metallet, en forhindring, der kan omgås med omhyggelig design og fabrikation.

Antennerne blev fremstillet ved hjælp af simple metalliske og dielektriske lag ved hjælp af metoder, der er kompatible med nuværende industrielle fremstillingsteknologier, og mange sådanne enheder kan fremstilles tæt på en lille chip. Holdet arbejder nu på en ny generation af forbedrede enheder, der vil tillade deterministisk produktion af enkeltfotoner direkte fra chippen til optiske fibre, uden yderligere optiske komponenter, med en næsten enhedseffektivitet.

"Denne forskning baner en lovende vej for en høj renhed, høj effektivitet, enkeltfotonkilde på chip, der arbejder ved stuetemperatur, et koncept, der kan udvides til mange typer kvanteemittere. En meget retningsbestemt enkelt fotonkilde kan føre til et betydeligt fremskridt i fremstillingen af ​​kompakte, billig, og effektive kilder til kvanteinformationsbits til fremtidige kvanteteknologiske applikationer", sagde prof. Ronen Rapaport, fra Racah Institute of Physics, Institut for Anvendt Fysik, og Center for Nanovidenskab og Nanoteknologi ved Det Hebraiske Universitet i Jerusalem.

Undersøgelsen er offentliggjort i Nano bogstaver .