Illustration av en fotonpistol. En kvantpunkt (den gula symbolen) avger en foton (röd vågpaket) åt gången. Kvantpunkten är inbäddad i en fotonisk kristallstruktur, som erhålls genom etsning av hål (svarta cirklar) i ett halvledarmaterial. På grund av hålen, fotonerna kan inte avges i alla riktningar, men bara längs vågledaren, som bildas genom att utelämna ett antal hål. Upphovsman:Søren Stobbe, NBI
Avancerade fotoniska nanostrukturer är på god väg att revolutionera kvanttekniken för kvantnätverk baserade på ljus. Forskare från Niels Bohr -institutet har nu utvecklat de första byggstenarna som behövs för att konstruera komplexa kvantfotoniska kretsar för kvantnät. Denna snabba utveckling i kvantnätverk lyfts fram i en artikel i tidningen Natur .
Kvantteknik baserad på ljus (fotoner) kallas kvantfotonik, medan elektronik är baserad på elektroner. Fotoner (ljuspartiklar) och elektroner beter sig olika på kvantnivå. En kvantenhet är den minsta enheten i den mikroskopiska världen. Till exempel, fotoner är den grundläggande beståndsdelen i ljus och elektroner i elektrisk ström. Elektroner är så kallade fermioner och kan enkelt isoleras för att leda ström en elektron i taget. Däremot är fotoner bosoner, som föredrar att samlas. Men eftersom information för kvantkommunikation baserad på fotonik är kodad i en enda foton, det är nödvändigt att avge och skicka dem en i taget.
Ökad informationskapacitet
Information baserad på fotoner har stora fördelar; fotoner interagerar bara mycket svagt med miljön - till skillnad från elektroner, så förlorar fotoner inte mycket energi på vägen och kan därför skickas över långa sträckor. Fotoner är därför mycket väl lämpade för att transportera och distribuera information och ett kvantnätverk baserat på fotoner kommer att kunna koda mycket mer information än vad som är möjligt med nuvarande datorteknik och informationen kunde inte avlyssnas på vägen.
Många forskargrupper runt om i världen arbetar intensivt inom detta forskningsområde, som utvecklas snabbt och faktiskt börjar de första kommersiella kvantfotoniska produkterna tillverkas.
Riktningsemission av fotoner. Figuren visar beräkningarna av fotonemissionen i den nya riktade enkelfotonkällan. Om centrifugeringen av kvantpunktens elektron pekar upp, fotonen kommer att avges i en riktning (blå). Om centrifugeringen av kvantpunktens elektron pekar nedåt, fotonen kommer att avges i motsatt riktning (röd). Upphovsman:Sahand Mahmoodian och Søren Stobbe, NBI
Kontroll av fotonerna
En förutsättning för kvantnätverk är förmågan att skapa en ström av enstaka fotoner på begäran och forskarna vid Niels Bohr -institutet lyckades göra just det.
"Vi har utvecklat ett fotoniskt chip, som fungerar som en fotonpistol. Det fotoniska chipet består av en extremt liten kristall som är 10 mikron bred och 160 nanometer tjock. Inbäddad i mitten av chipet är en ljuskälla, som är en så kallad kvantpunkt. Att belysa kvantpunkten med laserljus väcker en elektron, som sedan kan hoppa från en bana till en annan och därigenom avge en enda foton åt gången. Fotoner sänds vanligtvis i alla riktningar, men det fotoniska chipet är utformat så att alla fotoner skickas ut genom en fotonisk vågledare, "förklarar Peter Lodahl, professor och chef för forskargruppen Quantum Photonics vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet.
På länge, mödosam process, forskargruppen vidareutvecklade och testade det fotoniska chipet tills det uppnådde extrem effektivitet och Peter Lodahl förklarar att det var särskilt förvånande att de kunde få fotonemissionen att ske på ett sätt som inte tidigare trodde var möjligt. I vanliga fall, fotonerna överförs i båda riktningarna i den fotoniska vågledaren, men i sitt skräddarsydda fotoniska chip kunde de bryta denna symmetri och få kvantpunkten att skilja mellan att avge en foton till höger eller vänster, det betyder att avge riktade fotoner. Detta innebär full kontroll över fotonerna och forskarna börjar utforska hur man konstruerar kompletta kvantnätverkssystem baserat på den nya upptäckten.
"Fotonerna kan skickas över långa avstånd via optiska fibrer, där de susar genom fibrerna med mycket liten förlust. Du kan eventuellt bygga ett nätverk där fotonerna ansluter små kvantsystem, som sedan kopplas samman till ett kvantnätverk - ett kvantinternet, ”förklarar Peter Lodahl.
Han tillägger att även om de första grundläggande funktionerna redan är verklighet, den stora utmaningen är nu att expandera dem till stora, komplexa kvantnätverk.
