Forskare vid universitetet i Basel och Ruhr-Universität Bochum har insett kvantprickar-små halvledarnanostrukturer-som avger ljus nära den röda delen av spektrumet med ultralågt bakgrundsljud. Kvantprickar kan en dag utgöra grunden för kvantdatorer; ljuspartiklarna, kallas också fotoner, skulle då fungera som informationsbärare. Kvantprickar med tillräckliga optiska egenskaper hade tidigare endast erhållits för fotoner med våglängder i det nära infraröda området. Nu, forskarna har lyckats skapa tillstånd med låg brus vid våglängder mellan 700 och 800 nanometer, dvs nära det synliga röda området. Detta skulle, till exempel, möjliggöra koppling till andra fotoniska system. De beskriver sina fynd i tidningen Naturkommunikation från 21 september 2020.

Olika våglängder krävs

System för kvantkommunikation kräver fotoner med olika våglängder. För kommunikation över långa avstånd, huvudkravet är att undvika signalförluster; våglängder runt 1, 550 nanometer kan användas för detta ändamål. För korta sträckor, å andra sidan, fotoner behövs som kan detekteras så effektivt som möjligt och anslutas till andra kvantminnessystem. Detta skulle vara möjligt med rött ljus, eller mer exakt med våglängder mellan 700 och 800 nanometer. För närvarande tillgängliga fotondetektorer har sin högsta känslighet inom detta område. Dessutom, ljuspartiklar med denna frekvens skulle kunna kopplas till ett rubidiumlagringssystem.

För att information i ett kvantsystem ska vara exakt kodad, manipulerad och läst upp, stabil optisk emission är avgörande. Detta är exakt vad forskarna nu har uppnått för fotoner nära det synliga röda området.

Lägre aluminiumhalt är nyckeln till framgång

Projektet var ett samarbete mellan ett team av unga fysiker under ledning av professor Richard Warburton från Basel-baserade Nano-Photonics Group och professor Andreas Wieck, Dr Arne Ludwig, Dr Julian Ritzmann och kollegor från ordföranden för tillämpad solid state -fysik i Bochum. Forskarna konverterade kvantprickarna i en halvledare gjord av galliumarsenid. Eftersom systemet måste kylas med flytande helium, den fungerar vid låga temperaturer på minus 269 grader Celsius.

En av de största utmaningarna var att designa en diod med gallium-arsenidkvantprickar som tillförlitligt avger fotoner vid dessa låga temperaturer. Det Bochum-baserade teamet producerade aluminium-gallium-arsenidskikt med en lägre aluminiumkoncentration än vanligt, vilket förbättrade skiktets konduktivitet och stabilitet. Nano-Photonics-teamet använde sedan detta material för experimenten i Basel.

Kopplat system pågår

I nästa steg, forskarna planerar att kombinera de nyutvecklade kvantprickarna med en rubidium quantum -minnesenhet. Sådana hybridstrukturer skulle vara ett första steg mot praktiska tillämpningar i framtida kvantkommunikationsnätverk.