Kvantfotonik involverar en ny typ av teknik som förlitar sig på fotoner, elementarpartikeln av ljus. Dessa fotoner kan potentiellt bära kvantbitar av information över stora avstånd. Om fotonkällan kunde placeras på ett enda chip och fås att producera fotoner med hög hastighet, detta kan möjliggöra höghastighets kvantkommunikation eller informationsbehandling, vilket skulle vara ett stort framsteg inom informationsteknik.

I veckans nummer av Tillämpad fysik recensioner , en enkel fotonkälla på chipet som använder en typ av material som kallas hyperboliskt metamaterial föreslås. Utredarna utförde beräkningar för att visa att en prototyp som använder det hyperboliska metamaterialet arrangerat på ett exakt sätt kan övervinna problem med låg effektivitet och möjliggöra höga upprepningshastigheter för fotonkällor på chip.

Tills nyligen, enkelfotonkällor har vanligtvis gjorts från självmonterade kvantpunkter i halvledare eller från material, som diamanter, med strukturella defekter. Det är svårt, dock, att producera enstaka fotoner med höga hastigheter från sådana material. Vissa metoder för att lösa detta problem har prövats, men hittills, resultaten lider av en smal bandbredd och låg effektivitet.

Ett annat sätt att närma sig dessa problem är att använda specialmaterial, såsom metamaterial, för fotonkällan. Metamaterial är staplar av metalliska och dielektriska lager, strukturerad på en nivå som är mycket mindre än våglängden för ljus som används. De uppvisar ovanliga optiska egenskaper när de formas till former, såsom nanotrådar. Elektroner som strömmar genom materialet skapar en kollektiv oscillation som kallas en ytplasmon, genererar lokala elektromagnetiska fält.

Hyperboliska metamaterial är mycket anisotropa versioner av dessa metamaterial. De manipulerar ljus på en mängd olika sätt. Till exempel, de kan krympa ljusets våglängd och låta det röra sig fritt i en riktning samtidigt som de stoppar det i en annan.

Utredarna föreslår en geometri för sin on-chip fotonkälla där ett hyperboliskt metamaterial lutas i en exakt vinkel med avseende på ändfasetten på den närliggande nanofiber som används för att överföra de utsända fotonerna. Genom att välja lutningsvinkeln noggrant, ljusreflektioner undertrycks vid gränssnittet med fibern.

Beräkningar från gruppen visade att detta enkla geometriska arrangemang borde övervinna tidigare begränsningar med dessa material.

Medförfattaren Lian Shen sa, "Vårt arbete representerar ett viktigt steg mot implementeringen av spektralt breda enfotonkällor med höga upprepningshastigheter för kvantnätverk på chip."