I framtiden, kvantfysik kan bli garant för säker informationsteknik. För att uppnå detta, enskilda ljuspartiklar - fotoner - används för säker överföring av data. Fynd från fysiker från Max Planck Institute for Solid State Research kan spela en nyckelroll. Forskarna stötte av misstag på en ljuskälla som genererar ett fotonpar från energin från en elektron. En av dessa ljuspartiklar har potential att tjäna som bärare av den sköra kvantinformationen, den andra, som budbärare för att meddela sin tvilling i förväg.

I motsats till kvantkommunikation, en kock har lyxen att kunna se om alla ingredienser han eller hon behöver för ett recept finns i skåpet. Trots allt, mjöl blir inte dåligt när du tittar på det. En fysiker som försöker testa om ett förfarande för att överföra kvantinformation har fungerat som planerat befinner sig i en mycket svårare position. Kvantobjekt ändrar sitt tillstånd när de observeras, dvs uppmätt. I kvantkommunikation, detta gör det svårt att kontrollera informationen som överförs av fotoner. Men det är den kritiskt viktiga punkten. Varje kontakt med miljön kan förstöra den kvantinformation som transporteras av fotoner, och dessutom, Källor till enskilda ljuspartiklar genererar ofta enstaka fotoner endast mycket oregelbundet. Hur kan du garantera att en foton är på väg utan att mäta den? Par fotoner är lösningen. En foton kan kanske fungera som budbärare för sin tvilling.

En oväntad källa till fotonpar

Forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research har nu upptäckt en oväntad källa till sådana fotonpar:ett skannande tunnelmikroskop. Forskare använder normalt ett mikroskop av detta slag för att studera ytorna på ledande eller halvledande material. Mikroskopet är baserat på en effekt som kallas kvanttunnel. Detta beskriver hur elektroner har en viss sannolikhet att passera genom en barriär som, enligt klassisk fysik, de skulle normalt sett inte kunna korsa. I ett skanningstunnelmikroskop, en spänning appliceras på en metallspets, orsakar elektroner att tunnla över ett kort avstånd till ett prov. Om en elektron förlorar energi under denna tunnelprocess, ljus produceras.

Det är just detta ljus som fysikerna i Stuttgart har undersökt i ett antal år. Deras arbete har nu lett till en överraskande observation:under tunnling, förutom enskilda ljuspartiklar, fotonpar bildas också, med en hastighet 10, 000 gånger högre än teorin förutspår. "Enligt teorin, sannolikheten för att ett fotonpar bildas är så låg att vi aldrig borde se det, "förklarar forskaren Christopher Leon." Men vårt experiment visar att fotonpar genereras i mycket högre takt. Det var en stor överraskning för oss. "

Fysikerna mätte fotonparen med hjälp av två detektorer, så att de kan mäta tidsintervallet mellan de ankommande fotonerna. "I det ögonblick när ett fotonpar bildas i en tunnelförbindelse, de skiljer mindre än 50 biljoner tiondelar av en sekund, "förklarar den ledande forskaren Klaus Kuhnke. För tillfället, det är omöjligt att säga om fotonerna faktiskt produceras samtidigt eller i snabb följd. Detektornas upplösning är ännu inte tillräckligt hög.

Nya applikationer för tunnelförbindelser

Resultaten öppnar upp nya applikationer inom fotonik och kvantkommunikation för tunnelförbindelser. Forskare känner redan till processer som genererar fotonpar, men de flesta använder intensivt laserljus. I kontrast, metoden som utvecklats av Max Planck -forskarna i Stuttgart är rent elektronisk.

Dessutom, de nödvändiga komponenterna är mycket små, och processen sker på atomskala. Det betyder att den nya ljuskällan också kan användas i framtida generationer av datorchips, ersätta elektroniska komponenter med optiska. En fördel med att använda fotoner är att de lovar snabb och förlustfri dataöverföring. Fotonparen i experimentet som utfördes av forskarna i Stuttgart var extremt snabba, men det extremt höga vakuumet och de mycket låga temperaturer som krävs av experimentet är fortfarande en praktisk utmaning.

Nästa steg för forskarna är att ta reda på om mätning av en foton direkt påverkar tillståndet hos den andra. Om så är fallet, ljuspartiklarna skulle trassla ihop. Intrasslade partiklar av detta slag är avgörande för kvantkryptografi. Resultaten väcker också grundläggande frågor om hur fotonpar bildas. Tills nu, processen har nästan förbisetts från en teoretisk bakgrund. "Det faktum att fotonpar genereras indikerar att en komplicerad process måste äga rum, "säger teoretikern Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Direktör för Max Planck Institute for Solid State Research, håller med om att processen är spännande:"Det är spännande eftersom det öppnar upp ett nytt perspektiv på hur ljus produceras."