Forskere skaber skalerbar platform for on-chip kvanteemittere

Husholdningspærer afgiver en kaotisk strøm af energi, som trillioner af minimale lyspartikler - kaldet fotoner - reflekteres og spredes i alle retninger. Kvante lyskilder, på den anden side, er som lyskanoner, der affyrer enkelte fotoner én efter én, hver gang de udløses, sætter dem i stand til at bære hacksikker digital information – teknologi, der er attraktiv for industrier som finans og forsvar.

Nu, forskere ved Stevens Institute of Technology og Columbia University har udviklet en skalerbar metode til at skabe et stort antal af disse kvantelyskilder på en chip med hidtil uset præcision, som ikke kun kunne bane vejen for udviklingen af ​​ubrydelige kryptografiske systemer, men også kvantecomputere, der kan udføre komplekse beregninger på sekunder, som ville tage normale computere år at afslutte.

"Søgningen efter skalerbare kvantelyskilder har stået på i 20 år, og for nylig er blevet en national prioritet, siger Stefan Strauf, der ledede arbejdet og er også direktør for Stevens' Nanophotonic Lab. "Dette er første gang nogen har opnået et niveau af rumlig kontrol kombineret med høj effektivitet på en chip, der er skalerbar, som alle er nødvendige for at realisere kvanteteknologier."

Arbejdet, at blive rapporteret i den 29. oktober forhånd online udgave af Natur nanoteknologi , beskriver en ny metode til at skabe kvantelyskilder efter behov på ethvert ønsket sted på en chip, ved at strække en atomtynd film af halvledende materiale over nanokuber lavet af guld. Som stramt cling-wrap, filmen strækker sig over hjørnerne af nanokuberne, prægning af definerede steder, hvor der dannes enkeltfotonemittere.

Tidligere forskning har testet metoder til at producere kvanteemittere på definerede steder, men disse designs var ikke skalerbare eller effektive til at udløse enkelte fotoner ofte nok til at være praktisk nyttige. Strauf og hans team ændrede alt dette ved at blive de første til at kombinere rumlig kontrol og skalerbarhed med evnen til effektivt at udsende fotoner efter behov.

For at opnå disse evner, Straufs team designede en unik tilgang, hvor guldnanokuben tjener et dobbelt formål:den præger kvanteemitteren på chippen, og den fungerer som en antenne omkring den. Ved at skabe kvanteemitterne mellem guldnanokuben og spejlet, Strauf efterlod et snævert mellemrum på fem nanometer - 20, 000 gange mindre end bredden af ​​et ark papir.

"Dette lille mellemrum mellem spejlet og nanokuben skaber en optisk antenne, der tragter alle fotonerne ind i det fem nanometer mellemrum, derved koncentrerer al energien" siger Strauf. "I bund og grund, det giver det nødvendige boost til, at de enkelte fotoner kan udsendes hurtigt fra det definerede sted og i den ønskede retning."

For yderligere at forbedre effektiviteten af ​​kvantelyskilderne, Strauf slog sig sammen med Katayun Barmak og James Hone, fra Columbia University, som udviklede en teknik til at dyrke halvlederkrystaller, der er næsten fri for defekter. Ved at bruge disse unikke krystaller, Stevens' kandidatstuderende Yue Luo byggede rækker af kvanteemittere på en chip ved at strække det atomtynde materiale over nanokuberne. Nanoantennerne dannes ved at fastgøre spejlet, på bunden af ​​nanokuben.

Resultatet:en rekordhøj affyring på 42 millioner enkeltfotoner i sekundet; med andre ord, hver anden trigger skabte en foton efter behov, sammenlignet med kun én ud af 100 triggere tidligere.

Skønt lille, emitterne er bemærkelsesværdigt hårde. "De er forbavsende stabile, " siger Strauf. "Vi kan køle dem og varme dem og skille resonatoren ad og samle den igen, og de virker stadig." De fleste kvanteemittere skal holdes nedkølet til -273°C, men den nye teknologi virker op til -70°C. "Vi har endnu ikke stuetemperatur, " siger Strauf, "men nuværende eksperimenter viser, at det er muligt at nå dertil."