Ett effektivt ljus-materia-gränssnitt kan utgöra grunden för kvantkommunikation. Dock, vissa strukturer som bildas under tillväxtprocessen stör signalen.

Vissa halvledarstrukturer, så kallade kvantprickar, kan utgöra grunden för kvantkommunikation. De är ett effektivt gränssnitt mellan materia och ljus, med fotoner (ljuspartiklar) som emitteras av kvantprickarna som transporterar information över stora avstånd. Dock, strukturer bildas som standard under tillverkningen av kvantprickar som stör kommunikationen. Forskare vid universitetet i Basel, Ruhr-Universität Bochum, och Forschungszentrum Jülich har nu framgångsrikt eliminerat dessa störningar. De har publicerat sin rapport i tidskriften Kommunikationsfysik från 9 augusti 2019.

Lätta partiklar som kan transportera information över stora avstånd

Kvantpunkter kan realiseras i halvledare om forskare låser en elektron och ett elektronhål — d.v.s. en positiv laddning i en position där en elektron borde finnas – i ett trångt utrymme. Tillsammans, elektron och elektronhål bildar ett exciterat tillstånd. När de kombineras igen, det exciterade tillståndet försvinner och en foton genereras. "Den fotonen kan vara användbar som informationsbärare i kvantkommunikation över stora avstånd, säger Dr. Arne Ludwig från lärostolen för tillämpad fasta tillståndsfysik i Bochum.

Kvantprickarna som tillverkas i Bochum genereras i halvledarmaterialet indiumarsenid. Forskarna odlar materialet på ett galliumarsenidsubstrat. I processen, ett slätt indiumarsenidskikt bildas med en tjocklek av bara ett och ett halvt atomskikt - det så kallade vätskiktet. Senare, forskarna genererar små öar med en diameter på 30 nanometer och en höjd på några nanometer. Dessa är kvantprickarna.

Störande fotoner från vätande lager

Det vätande lagret som måste avsättas i det första steget orsakar problem, för att det, för, innehåller exciterade elektronhålstillstånd som sönderfaller och kan frigöra fotoner. I vätskiktet, dessa tillstånd förfaller ännu lättare än i kvantprickarna. Fotonerna som emitteras i processen kan inte användas i kvantkommunikation, dock; snarare, de genererar ett statiskt brus i systemet.

"Vätskiktet täcker hela ytan medan kvantprickarna bara täcker en tusendel av halvledarchipet, det är därför det störande ljuset är ungefär tusen gånger starkare än ljuset som emitteras av kvantprickarna, " förklarar Andreas Wieck, Chef för lärostolen för tillämpad fasta tillståndsfysik i Bochum. "Det vätande lagret utstrålar fotoner med en något högre frekvens och med en mycket högre intensitet än kvantprickarna. Det är som om kvantprickarna sänder ut kammarens tonhöjd A, medan det vätande lagret avgav ett B som var tusen gånger högre."

Ytterligare lager eliminerar störningar

"Vi har kunnat ignorera dessa störningar genom att bara excitera de erforderliga energitillstånden, " säger Matthias Löbl från universitetet i Basel. "Men, om kvantprickar ska användas som informationsenheter för kvanttillämpningar, det kan vara idealiskt att ladda dem med fler elektroner. Men i så fall, energinivåerna i vätskiktet skulle likaså exciteras, ", tillägger Arne Ludwig.

Forskargruppen har nu eliminerat denna interferens genom att lägga till ett aluminiumarsenidskikt som växt ovanför kvantprickarna i vätskiktet. Energitillstånden i vätskiktet tas alltså bort, som, i tur och ordning, gör det mindre sannolikt för elektroner och elektronhål att rekombinera och emittera fotoner.