Gennembrud i single-photon integration lover for kvantecomputere, kryptografi

En nylig undersøgelse har afsløret et betydeligt fremskridt i retning af on-chip integration af enkeltfotonkilder ved stuetemperatur. Denne præstation repræsenterer et væsentligt skridt fremad inden for kvantefotonik og lover for forskellige applikationer, herunder kvanteberegning, kryptografi og sansning.

Nøgleinnovationen ligger i implementeringen af ​​en hybrid metal-dielektrisk bullseye-antenne, som leverer enestående fotonretningsevne. Dette nye antennedesign muliggør effektiv back-excitation af fotoner ved at placere emitteren i et subbølgelængdehul placeret i midten af ​​antennen. Denne konfiguration muliggør både direkte back-excitation og højeffektiv frontkobling af emission til optik med lav numerisk blændeåbning eller optiske fibre.

Undersøgelsen demonstrerer alsidigheden af ​​dette koncept ved at fremstille enheder, der indeholder enten kolloide kvanteprikker eller nanodiamanter, der indeholder silicium-tomgangscentre, begge er fremragende enkeltfoton-emittere selv ved stuetemperatur. Disse emittere blev præcist placeret ved hjælp af to forskellige nanopositioneringsmetoder.

Bemærkelsesværdigt udviste begge typer af ryg-exciterede enheder en frontopsamlingseffektivitet på cirka 70 % ved numeriske åbninger så lave som 0,5. Dette betyder, at man kan bruge meget enkle og kompakte optiske elementer og stadig samle de fleste fotoner i den ønskede kanal eller præcist sende de udsendte fotoner ind i en nærliggende optisk fiber uden behov for yderligere koblingsoptik.

Dette er en nøgleingrediens i at integrere kvantelyskilder i rigtige kvantesystemer. Denne strømlinede proces lover at forenkle fremtidige integrationsbestræbelser og fremskynde realiseringen af ​​praktiske kvantefotoniske enheder.

Forskningspapiret med titlen "Room-Temperature Fiber-Coupled Single-Photon Sources based on Colloidal Quantum Dots and SiV Centres in Back-Excited Nanoantennas" er udgivet i Nano Letters .

Arbejdet blev ført i spidsen af ​​Boaz Lubotzky under hans ph.d. forskning, sammen med prof. Ronen Rapaport fra Racah Institute of Physics ved The Hebrew University of Jerusalem, i samarbejde med hold fra Los Alamos National Laboratory og fra Ulm University i Tyskland.

Lubotzky kommenterede betydningen af ​​denne præstation og udtalte:"Ved at overvinde nøgleudfordringer forbundet med on-chip integration af enkeltfotonkilder har vi åbnet spændende nye muligheder for udvikling af avancerede kvanteteknologier."

Den vellykkede integration af enkeltfotonkilder på bittesmå chips ved stuetemperatur, opnået gennem den innovative brug af en hybrid metal-dielektrisk bullseye-antenne, har umiddelbare anvendelser til at fremme kvantekryptografi til sikker kommunikation, forbedring af sensorteknologier og strømlining af integrationsprocessen for praktiske kvantefotoniske enheder.

Undersøgelsens resultater åbner døre for kommercielle applikationer og udvikling af nye produkter inden for det spirende felt af kvanteteknologier.

Flere oplysninger: Boaz Lubotzky et al., rumtemperaturfiberkoblede enkeltfotokilder baseret på kolloide kvanteprikker og SiV-centre i rygspændte nanoantenner, nanobogstaver (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03672

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af Hebrew University of Jerusalem