Ett team av forskare inklusive U of A ingenjörs- och fysikfakulteten har utvecklat en ny metod för att detektera enstaka fotoner, eller lätta partiklar, med hjälp av kvantprickar.

Enkelfotondetektion är ett nyckelelement för att möjliggöra användning av kvantinformation, en metod för att överföra information som är mycket snabbare och säkrare än nuvarande metoder. Denna teknik har även andra tillämpningar, inklusive biologisk och medicinsk bildbehandling, spektroskopi, och astronomisk observation.

Shui-Qing "Fisher" Yu, docent i elektroteknik; Greg Salamo, framstående professor i fysik; och Yang Zhang, en dåvarande postdoktor i elektroteknik, arbetat med kollegor från Dartmouth och University of Wisconsin på denna forskning, som nyligen publicerades av ACS Fotonik .

Kvantinformation använder olika kvanttillstånd av partiklar, såsom polarisering eller fas, för att koda information. Eftersom kvantinformation inte är begränsad till de ettor och nollor som används för att koda digital information, denna teknik kan överföra en stor mängd information mycket säkert.

Eftersom kvantinformation kan överföras med hjälp av en oändlig mängd kvanttillstånd, avsändaren och mottagaren måste båda komma överens om vilken stat de använder för att koda och tolka data. En utomstående som avlyssnar signalen skulle ha svårt att läsa den utan denna kunskap.

En foton är ett ljuskvantum. När en foton kommer in i en detektor i ett kvantinformationssystem, dess energi överförs till en elektron och detta resulterar i en ström eller en spänning. Denna effekt är så liten, fastän, att det är svårt att upptäcka. Andra konstruktioner för fotondetektorer löser detta problem genom att använda en enhet som kallas lavinfotodiod för att förstärka strömmen eller spänningen, men detta tillvägagångssätt tenderar att lägga till fördröjningar i detekteringen och ökar bakgrundsbruset.

Det nya tillvägagångssättet som skapats och modellerats av dessa forskare använder en kvantpunkt, som är en halvledarpartikel i nanoskala, för att detektera enstaka fotoner. Jämfört med andra metoder, spänningsändringen som orsakas av en enda foton i denna detektor är stor, med låg bakgrundsljudnivå.

Yu jämförde detta med att lägga till en droppe vatten i en behållare. "Om du lägger en droppe vatten i en stor tank, den förändringen är svår att se, " sa han. "Men om du lägger en droppe vatten i en mycket liten behållare, du kan se förändringen lättare." I forskarnas design, elektronen är i en liten behållare – kvantpunkten.

Forskarna har använt datormodeller för att visa att deras design kan detektera enstaka fotoner mer exakt än befintlig teknik.