Kvantteknologi har ett stort löfte:bara några år från nu, kvantdatorer förväntas revolutionera databassökningar, AI-system, och beräkningssimuleringar. Redan idag, kvantkryptografi kan garantera absolut säker dataöverföring, om än med begränsningar. Största möjliga kompatibilitet med vår nuvarande kiselbaserade elektronik kommer att vara en viktig fördel. Och det är just där fysiker från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och TU Dresden har gjort anmärkningsvärda framsteg:Teamet har designat en kiselbaserad ljuskälla för att generera enstaka fotoner som fortplantar sig väl i glasfibrer.

Kvantteknologin bygger på förmågan att kontrollera beteendet hos kvantpartiklar så exakt som möjligt, till exempel genom att låsa in enskilda atomer i magnetiska fällor eller genom att skicka individuella ljuspartiklar – så kallade fotoner – genom glasfibrer. Det senare är grunden för kvantkryptografi, en kommunikationsmetod dvs. i princip, tappsäker:Varje tänkbar datatjuv som fångar fotonerna förstör oundvikligen deras kvantegenskaper. Avsändare och mottagare av meddelandet kommer att märka det och kan stoppa den komprometterade överföringen i tid.

Detta kräver ljuskällor som levererar enstaka fotoner. Sådana system finns redan, speciellt baserad på diamanter, men de har en brist:"Dessa diamantkällor kan bara generera fotoner vid frekvenser som inte är lämpliga för fiberoptisk överföring, " förklarar HZDR-fysikern Dr. Georgy Astakhov. "Vilket är en betydande begränsning för praktisk användning." Så Astakhov och hans team bestämde sig för att använda ett annat material - det beprövade elektroniska basmaterialet kisel.

100, 000 enstaka fotoner per sekund

För att få materialet att generera de infraröda fotoner som krävs för fiberoptisk kommunikation, experterna utsatte det för en särskild behandling, selektivt skjuta in kol i kislet med en accelerator vid HZDR Ion Beam Center. Detta skapade vad som kallas G-centra i materialet - två intilliggande kolatomer kopplade till en kiselatom som bildar en sorts konstgjord atom.

När den utstrålas med rött laserljus, denna artificiella atom avger de önskade infraröda fotonerna vid en våglängd av 1,3 mikrometer, en frekvens som är utmärkt lämpad för fiberoptisk överföring. "Vår prototyp kan producera 100, 000 enstaka fotoner per sekund, " Astakhov rapporterar. "Och det är stabilt. Även efter flera dagars kontinuerlig drift, vi har inte observerat någon försämring." systemet fungerar bara under extremt kalla förhållanden – fysikerna använder flytande helium för att kyla ner det till en temperatur på minus 268 grader Celsius.

"Vi kunde för första gången visa att en kiselbaserad enfotonkälla är möjlig, " Astakhovs kollega Dr Yonder Berencén rapporterar gärna. "Detta gör det i princip möjligt att integrera sådana källor med andra optiska komponenter på ett chip." det skulle vara av intresse att koppla den nya ljuskällan med en resonator för att lösa problemet att infraröda fotoner till stor del kommer ut från källan slumpmässigt. För användning i kvantkommunikation, dock, det skulle vara nödvändigt att generera fotoner på begäran.

Ljuskälla på ett chip

Denna resonator skulle kunna ställas in för att exakt träffa ljuskällans våglängd, vilket skulle göra det möjligt att öka antalet genererade fotoner till den grad att de är tillgängliga vid varje given tidpunkt. "Det har redan bevisats att sådana resonatorer kan byggas i kisel, " rapporterar Berencén. "Den felande länken var en kiselbaserad källa för enstaka fotoner. Och det är precis vad vi nu har kunnat skapa."

Men innan de kan överväga praktiska tillämpningar, HZDR-forskarna måste fortfarande lösa vissa problem – som en mer systematisk produktion av de nya telekom-enfotonkällorna. "Vi kommer att försöka implantera kolet i kisel med större precision, " förklarar Georgy Astakhov. "HZDR med sitt Ion Beam Center ger en idealisk infrastruktur för att förverkliga idéer som denna."