Den minsta mängd ljus du kan ha är en foton, så mörk att den är ganska osynlig för människor. Även om det är omärkligt, dessa små energislag är användbara för att bära runt kvantinformation. Helst varje quantum kurir skulle vara densamma, men det finns inget enkelt sätt att producera en ström av identiska fotoner. Detta är särskilt utmanande när enskilda fotoner kommer från tillverkade chips.

Nu, forskare vid Joint Quantum Institute (JQI) har visat ett nytt tillvägagångssätt som gör det möjligt för olika enheter att upprepade gånger sända ut nästan identiska enstaka fotoner. Laget, ledd av JQI Fellow Mohammad Hafezi, gjort ett silikonchip som leder ljus runt enhetens kant, där den i sig är skyddad mot störningar. Tidigare, Hafezi och kollegor visade att denna design kan minska sannolikheten för optisk signalförsämring. I en tidning publicerad online den 10 september in Natur , teamet förklarar att samma fysik som skyddar ljuset längs chipets kant också säkerställer tillförlitlig fotonproduktion.

Enstaka fotoner, som är ett exempel på kvantljus, är mer än bara riktigt svagt ljus. Denna distinktion har mycket att göra med var ljuset kommer ifrån. "Ganska mycket allt ljus som vi möter i våra vardagliga liv är packat med fotoner, säger Elizabeth Goldschmidt, en forskare vid US Army Research Laboratory och medförfattare till studien. "Men till skillnad från en glödlampa, det finns några källor som faktiskt avger ljus, en foton åt gången, och detta kan bara beskrivas av kvantfysik, ", tillägger Goldschmidt.

Många forskare arbetar med att bygga tillförlitliga kvantljussändare så att de kan isolera och kontrollera kvantegenskaperna hos enstaka fotoner. Goldschmidt förklarar att sådana ljuskällor sannolikt kommer att vara viktiga för framtida kvantinformationsenheter samt ytterligare förståelse av kvantfysikens mysterier. "Modern kommunikation är starkt beroende av icke-kvantljus, " säger Goldschmidt. "På liknande sätt, många av oss tror att enstaka fotoner kommer att krävas för alla typer av kvantkommunikationstillämpningar där ute."

Forskare kan generera kvantljus med hjälp av en naturlig färgförändringsprocess som uppstår när en ljusstråle passerar genom vissa material. I detta experiment använde teamet kisel, ett vanligt industriellt val för vägledande ljus, att omvandla infrarött laserljus till par av olika färgade enstaka fotoner.

De injicerade ljus i ett chip som innehöll en rad små kiselöglor. Under mikroskopet, slingorna ser ut som sammanlänkade glasiga racerbanor. Ljuset cirkulerar runt varje slinga tusentals gånger innan det går vidare till en angränsande slinga. Utsträckt, ljusets väg skulle vara flera centimeter lång, men slingorna gör det möjligt att passa resan i ett utrymme som är cirka 500 gånger mindre. Den relativt långa resan är nödvändig för att få ut många par enkla fotoner ur kiselchipset.

Sådana slingmatriser används rutinmässigt som enstaka fotonkällor, men små skillnader mellan chips kommer att göra att fotonfärgerna varierar från en enhet till en annan. Även inom en enda enhet, slumpmässiga defekter i materialet kan minska den genomsnittliga fotonkvaliteten. Detta är ett problem för tillämpningar av kvantinformation där forskare behöver att fotonerna ska vara så nära identiska som möjligt.

Teamet kringgick detta problem genom att arrangera slingorna på ett sätt som alltid låter ljuset färdas ostört runt kanten av chipet, även om tillverkningsfel finns. Denna design skyddar inte bara ljuset från störningar – den begränsar också hur enskilda fotoner bildas inom dessa kantkanaler. Slinglayouten tvingar i huvudsak varje fotonpar att vara nästan identiskt med nästa, oavsett mikroskopiska skillnader mellan ringarna. Den centrala delen av chipet innehåller inte skyddade vägar, och så alla fotoner som skapas i dessa områden påverkas av materialdefekter.

Forskarna jämförde sina marker med sådana utan några skyddade vägar. De samlade fotonpar från de olika chipsen, räkna antalet som sänds ut och notera deras färg. De observerade att deras kvantljuskälla tillförlitligt producerade hög kvalitet, enfärgade fotoner gång på gång, medan det konventionella chipets utgång var mer oförutsägbar.

"Vi trodde först att vi skulle behöva vara mer försiktiga med designen, och att fotonerna skulle vara mer känsliga för vårt chips tillverkningsprocess, säger Sunil Mittal, en JQI-postdoktor och huvudförfattare på den nya studien. "Men, förvånansvärt, fotoner som genereras i dessa skärmade kantkanaler är alltid nästan identiska, oavsett hur dåliga markerna är."

Mittal tillägger att den här enheten har ytterligare en fördel jämfört med andra enstaka fotonkällor. "Vårt chip fungerar i rumstemperatur. Jag behöver inte kyla ner det till kryogena temperaturer som andra kvantljuskällor, vilket gör det till en relativt enkel installation."

Teamet säger att detta fynd kan öppna upp en ny forskningsväg, som förenar kvantljus med fotoniska enheter med inbyggda skyddsfunktioner. "Fysiker har först nyligen insett att avskärmade vägar i grunden förändrar sättet som fotoner interagerar med materia, " säger Mittal. "Detta kan få konsekvenser för en mängd olika områden där ljus-materia-interaktioner spelar en roll, inklusive kvantinformationsvetenskap och optoelektronisk teknik."