SAW-driven lateral n-i-p-korsning, och dess elektriska och optiska egenskaper. en schema över enheten. Elektron- och hålytportar inducerar elektroner (n-region) och hål (p-region) i en GaAs kvantbrunn, bildande av en lateral n-i-p-korsning längs en etsad 1D-kanal. En SAW genereras genom att applicera en RF-signal på en givare (placerad 1 mm från n-i-p-korsningen). b Schematiskt diagram som visar bandstrukturen för n-i-p-övergången modulerad av SAW-potentialen, för en tillämpad förspänning framåt mindre än bandgapet. En enda elektron bärs i varje SAW -minimum, skapa en enda foton när den rekombineras med ett hål. c S-D-ström (överst) och EL-intensitet (botten) som en funktion av applicerad RF-frekvens vid en RF-effekt på 9 dBm. De visar båda en betydande förbättring kring 1.163 GHz, som är den resonanta SAW -frekvensen för IDT. d SAW-driven EL-intensitet som funktion av tiden. Den periodiska funktionen på 860 ps motsvarar den tillämpade SAW -frekvensen på 1.163 GHz. e Energispektrum för SAW-driven EL. Spektrumet visar en topp vid 1,531 eV (FWHM ~ 1 meV), som matchar excitonenergin i kvantbrunnen. Kreditera: Naturkommunikation (2020). DOI:10.1038/s41467-020-14560-1
Forskare vid University of Cambridge har utvecklat en ny teknik för att generera enstaka fotoner, genom att flytta enstaka elektroner i en specialdesignad ljusemitterande diod (LED). Denna teknik, rapporteras i tidningen Naturkommunikation , kan hjälpa utvecklingen av de framväxande områdena kvantkommunikation och kvantberäkning.
En enda foton, den elementära ljuspartikeln, kan bära en kvantbit information över hundratals kilometer. Därför, en källa som kan generera enstaka fotoner är en viktig byggsten i många kvanttekniker. Tills nu, enkelfotonkällor har gjorts i forskningslaboratorier från självmonterade kvantpunkter i halvledare, eller strukturella defekter i diamanter. Bildandet av dessa prickar och defekter är en slumpmässig process, så det är svårt att förutsäga platsen och fotonenergin (eller våglängden) för dessa enfotonkällor. Denna slumpmässighet kan utgöra en utmaning att integrera en källa i ett stort kvantnätverk.
I den här artikeln, forskarna visar att de kan generera en enda foton i en annan, kontrollerade, sätt, utan behov av en kvantpunkt eller en defekt, genom att bara flytta en elektron åt gången för att rekombinera med ett "hål" (en saknad elektron i ett fyllt "band" av elektroner).
'Tänk dig att försöka skicka ett digitalt meddelande genom att skjuta en ström av blå eller röda bollar över en vägg på följande sätt. Ett transportband med bollstorlekar drar en serie vita bollar uppför en sluttning och tappar bollarna från en klippa i slutet. Varje boll tar fart när den faller, sprutas sedan blått eller rött (beroende på meddelandet) när det studsar åt sidan och över väggen ', förklarar Dr Tzu-Kan Hsiao, som gjorde experimentet under sin doktorsexamen i Cambridge.
`Fördjupningarna i transportbandet kan bara bära en boll vardera.
Bara en boll sprutas åt gången, och det finns ingen chans att några av bollarna fångas upp av en avlyssning utan att personen i mottagaränden märker en saknad boll, medan om det ibland kommer två eller fler bollar åt gången, avlyssnaren kan fånga udda bollar och mottagaren är ingen klokare. På det sättet, en del av meddelandet kan avsiktligt avslöjas. '
'I experimentet, Vi tillverkade en enhet nära ytan av Gallium Arsenide (GaAs) genom att endast använda industrikompatibla tillverkningsprocesser. Denna enhet består av ett område av elektroner nära ett område med hål, och en smal kanal däremellan ', säger professor Christopher Ford, gruppledare för forskningen.
'För att transportera endast en elektron i taget, vi lanserar en ljudvåg längs ytan. I GaAs skapar en sådan '' ytakustisk våg '' också en medföljande elektrisk potentialvåg, där varje potentiellt minimum bara bär en elektron. Den potentiella vågen, som ett transportband, tar enskilda elektroner till hålregionen efter varandra. En serie enkla fotoner genereras när varje elektron snabbt rekombineras med ett hål innan nästa elektron kommer.
Varje enskild foton kan ges en av två polarisationer för att bära ett meddelande så att en avlyssning inte kan avlyssna meddelandet utan att detekteras.
Förutom att vara en ny enkelfotonkälla, mer viktigt, det kan vara möjligt med denna nya teknik att omvandla tillståndet för ett elektronspinn till polarisationstillståndet för en foton. Genom att överbrygga halvledarbaserade kvantdatorer med hjälp av enstaka fotoner som 'flygande' qubits, det ambitiösa målet att bygga storskaliga distribuerade kvantdatornätverk kan uppnås.
