Fysikere udvikler rekordstore kilder til enkelte fotoner

Forskere ved University of Basel og Ruhr University Bochum har udviklet en kilde til enkeltfotoner, der kan producere milliarder af disse kvantepartikler i sekundet. Med sin rekordstore effektivitet, fotonkilden repræsenterer en ny og kraftfuld byggesten til kvanteteknologier.

Kvantekryptografi lover absolut sikker kommunikation. En nøglekomponent her er strenge af enkelte fotoner. Information kan lagres i disse lyspartiklers kvantetilstande og transmitteres over lange afstande. I fremtiden, fjerntliggende kvanteprocessorer vil kommunikere med hinanden via enkelte fotoner. Og måske vil processoren selv bruge fotoner som kvantebits til beregning.

En grundlæggende forudsætning for sådanne applikationer, imidlertid, er en effektiv kilde til enkelte fotoner. Et forskerhold ledet af professor Richard Warburton, Natasha Tomm og Dr. Alisa Javadi fra universitetet i Basel, sammen med kolleger fra Bochum, rapporterer nu i journalen Natur nanoteknologi på udviklingen af ​​en enkeltfotonkilde, der væsentligt overgår tidligere kendte systemer med hensyn til effektivitet.

"Tragt" leder lyspartikler

Hver foton er skabt ved at excitere et enkelt "kunstigt atom" (en kvanteprik) inde i en halvleder. Som regel, disse fotoner forlader kvanteprikken i alle mulige retninger og dermed går en stor del tabt. I den nu præsenterede fotonkilde, forskerne har løst dette problem ved at placere kvanteprikken inde i en "tragt" for at sende alle fotoner i en bestemt retning.

Tragten er et nyt mikrohulrum, der repræsenterer forskerholdets reelle innovation:Mikrohulrummet fanger næsten alle fotonerne og dirigerer dem derefter ind i en optisk fiber. Fotonerne, hver omkring to centimeter lang, komme frem for enden af ​​en optisk fiber.

Effektiviteten af ​​hele systemet – dvs. sandsynligheden for, at excitation af kvanteprikken faktisk resulterer i en brugbar foton - er 57 procent, mere end det dobbelte af tidligere enkeltfotonkilder. "Dette er et virkelig specielt øjeblik, " forklarer hovedforfatter Richard Warburton. "Vi har vidst i et år eller to, hvad der er muligt i princippet. Nu er det lykkedes at føre vores ideer ud i livet."

Enorm stigning i computerkraft

Effektiviteten har betydelige konsekvenser, Warburton tilføjer:"at øge effektiviteten af ​​oprettelse af en enkelt foton med en faktor på to lægger op til en samlet forbedring på en faktor på en million for en streng på, sige, 20 fotoner. I fremtiden, vi vil gerne gøre vores enkeltfotonkilde endnu bedre:Vi vil gerne forenkle den og forfølge nogle af dens utallige applikationer inden for kvantekryptografi, kvantecomputere og andre teknologier."