Forskare från University of Basels avdelning för fysik och Swiss Nanoscience Institute har lyckats dramatiskt förbättra kvaliteten på enskilda fotoner som genereras av ett kvantsystem. Forskarna har framgångsrikt omsatt en 10-årig teoretisk förutsägelse i praktiken. Med deras papper, publicerades nyligen i Fysisk granskning X , de har tagit ett viktigt steg mot framtida tillämpningar inom kvantinformationsteknik.

Under ett antal år har forskare har arbetat med att använda elektronspinn för att lagra och bearbeta information. Ett möjligt tillvägagångssätt är att använda ett kvantsystem där kvanttillståndet för elektronspinnet är kopplat till det för de utsända ljuspartiklarna (fotoner).

Kvävevakanscentraler (NV -center) anses vara en beprövad struktur för detta tillvägagångssätt, så att elektronspinn enkelt kan läsas och manipuleras. Dessa NV -centra är naturliga defekter i kristallgitteret av diamant, över vilka forskare har fått kontroll under de senaste decennierna.

Bättre fotoner behövs

NV -centra är särskilt intressanta inom kvantinformationsbehandling, eftersom de avger enskilda fotoner som bär information om tillståndet för deras elektronspinn. Dessa fotoner kan i sin tur skapa kvantinvikling mellan olika NV -centra; denna trassel kan upprättas även över stora avstånd och kan således användas för dataöverföring.

Dock, för applikationer inom kvantinformationsteknik, betydande förbättringar kommer att behövas i kvantitet och framför allt kvaliteten på de utsända fotonerna, eftersom hittills bara en bråkdel av fotonerna kan användas för att producera trassel.

Lyckad optimering

Doktoranden Daniel Riedel har nu lyckats öka utbytet av användbara fotoner från dessa NV -centra från 3% till ett nuvärde på 50%. Dessutom, han har nästan kunnat fördubbla den hastighet vid vilken fotonerna avges.

Riedel uppnådde dessa betydande förbättringar genom att placera en nanofabricerad diamantbit, mäter bara några hundra nanometer, mellan två små speglar. Det hade redan beskrivits teoretiskt för 10 år sedan att placeringen av NV -centra i en hålighet borde öka utbytet av fotoner. Tills nu, dock, ingen forskargrupp hade lyckats omsätta denna teori i praktiken.

Papperet kom fram som en del av en doktorsavhandling vid Swiss Nanoscience Institute's PhD School, som grundades 2012. "Vi har övervunnit ett viktigt hinder på vägen mot kvante -internet, "säger handledaren professor Richard Warburton vid fysiska institutionen vid universitetet i Basel.

Professor Patrick Maletinsky, som också övervakade arbetet, tillägger:"Den unika kombinationen av expertis inom fotonik, speciella diamantstrukturer och nanofabrication här i Basel innebar att det var möjligt att övervinna denna 10-åriga utmaning för första gången. "