Forskare vid CRANN och Trinity's School of Physics har skapat en innovativ ny enhet som kommer att avge enstaka ljuspartiklar, eller fotoner, från kvantprickar som är nyckeln till praktiska kvantdatorer, kvantkommunikation, och andra kvantenheter.

Teamet har gjort en betydande förbättring av tidigare konstruktioner i fotoniska system via sin enhet, som möjliggör kontrollerbar, riktad emission av enstaka fotoner och som producerar intrasslade tillstånd av par av kvantprickar.

Qubits och löftet om kvantberäkning

Löftet om kvantdatorer utnyttjar egenskaperna hos kvantbitar - "kvantbitar" - för att utföra beräkningar. Nuvarande datorer bearbetar och lagrar information i bitar av antingen 0:or eller 1:or medan qubits kan vara 0 och 1 samtidigt. Det betyder att kvantdatorer kommer att ha mycket större beräkningsförmåga utöver klassiska datorer.

Forskare undersöker olika alternativ och design för att göra kvantberäkningar till en livskraftig verklighet. En föreslagen idé använder fotoniska system, att använda sig av ljusets kvantegenskaper på nanoskala, som qubits. Trinity-teamet utforskar ett sådant system i sin nyligen publicerade artikel i den högprofilerade tidskriften Nanobokstäver .

Deras system använder enstaka fotoner av ljus som emitteras på ett kontrollerat sätt i tid och rum från kvantemitters (material i nanoskala som kallas kvantprickar). För applikationer som kvantberäkning, det är nödvändigt att kontrollera utsläppen från dessa prickar och att producera kvantintrassling av utsläpp från par av dessa prickar.

Kvantintrassling är en grundläggande egenskap hos kvantmekaniken och uppstår när ett par eller en grupp av partiklar är kvantmekaniskt sammanlänkade på ett sätt så att kvanttillståndet för varje partikel i paret inte kan beskrivas oberoende av de andras tillstånd. Väsentligen, två intrasslade kvantprickar kan sända ut intrasslade fotoner.

Professor John Donegan, CRANN och Trinity's School of Physics, sa:

"Enheten fungerar genom att placera en metallspets inom några nanometer från en yta som innehåller kvantprickarna. Spetsen exciteras av ljus och producerar ett elektriskt fält av så enorm intensitet att det avsevärt kan öka antalet enstaka fotoner som emitteras av prickarna. Detta starka fält kan också koppla emission från par av kvantprickar, intrasslar deras tillstånd på ett sätt som är unikt för kvantljussändare."

Den andra betydande fördelen är den mekanism med vilken enheten fungerar jämfört med dagens toppmoderna fotoniska enheter för kvantberäkningstillämpningar.

Professor Ortwin Hess, Professor i kvantnanofotonik vid Trinity's School of Physics och CRANN, Lagt till:

"Genom att skanna metallspetsen över ytan som innehåller kvantprickarna, vi kan generera den enda fotonemissionen efter behov. En sådan enhet är mycket enklare än nuvarande system som försöker fixa en metallspets, eller ett hålrum, i närheten av en kvantprick. Vi förväntar oss nu att den här enheten och dess funktion kommer att ha en slående effekt på forskning om kvantemitter för kvantteknologi."

Samarbetet mellan professorerna Hess och Donegan inleddes medan professor Hess var vid Imperial College London och kommer att fortsätta med sin nyligen utnämning till Trinity genom SFI Research Professorship Programme.

Teamet planerar att tillverka enheter som kommer att demonstrera kontrollerad emission av en foton och bidra starkt till forskningsansträngningen inom kvantteknologi i Irland.