Supersnabba kvantdatorer och kommunikationsenheter kan revolutionera otaliga aspekter av våra liv – men först, forskare behöver en snabb, effektiv källa för de intrasslade paren av fotoner som sådana system använder för att överföra och manipulera information. Forskare vid Stevens Institute of Technology har gjort just det, inte bara skapa en chipbaserad fotonkälla 100 gånger effektivare än tidigare möjligt, men ger massiv kvantenhetsintegration inom räckhåll.

"Det har länge misstänkts att detta var möjligt i teorin, men vi är de första som visar det i praktiken, sa Yuping Huang, Gallagher docent i fysik och chef för Center for Quantum Science and Engineering.

För att skapa fotonpar, forskare fångar ljus i noggrant skulpterade mikrohåligheter i nanoskala; när ljus cirkulerar i kaviteten, dess fotoner resonerar och delas upp i intrasslade par. Men det finns en hake:för närvarande, sådana system är extremt ineffektiva, kräver en ström av inkommande laserljus som omfattar hundratals miljoner fotoner innan ett enda intrasslat fotonpar motvilligt kommer att droppa ut i andra änden.

Huang och kollegor på Stevens har nu utvecklat en ny chipbaserad fotonkälla som är 100 gånger effektivare än någon tidigare enhet, möjliggör skapandet av tiotals miljoner intrasslade fotonpar per sekund från en enda mikrowattdriven laserstråle.

"Detta är en enorm milstolpe för kvantkommunikation, sa Huang, vars verk kommer att visas i numret 17 december av Fysiska granskningsbrev .

Arbetar med Stevens doktorander Zhaohui Ma och Jiayang Chen, Huang byggde på sitt laboratoriums tidigare forskning för att skära mikrohåligheter av extremt hög kvalitet i flingor av litiumniobatkristall. De kapplöpningsformade hålrummen reflekterar internt fotoner med mycket liten förlust av energi, gör det möjligt för ljuset att cirkulera längre och interagera med större effektivitet.

Genom att finjustera ytterligare faktorer som temperatur, teamet kunde skapa en aldrig tidigare skådad ljus källa av intrasslade fotonpar. I praktiken, som gör att fotonpar kan produceras i mycket större kvantiteter för en given mängd inkommande ljus, dramatiskt minska den energi som behövs för att driva kvantkomponenter.

Teamet arbetar redan på sätt att ytterligare förfina sin process, och säger att de förväntar sig att snart uppnå kvantoptikens sanna heliga gral:ett system med det kan förvandla en enda inkommande foton till ett intrasslat par av utgående fotoner, med praktiskt taget inget spillenergi längs vägen. "Det är definitivt möjligt, ", sa Chen. "Vi behöver bara stegvisa förbättringar vid det här laget."

Tills dess, teamet planerar att fortsätta förfina sin teknik, och söker sätt att använda sin fotonkälla för att driva logiska grindar och andra kvantberäknings- eller kommunikationskomponenter. "Eftersom den här tekniken redan är chipbaserad, vi är redo att börja skala upp genom att integrera andra passiva eller aktiva optiska komponenter, " förklarade Huang.

Det ultimata målet, Huang sa, är att göra kvantenheter så effektiva och billiga att använda att de kan integreras i vanliga elektroniska enheter. "Vi vill ta ut kvantteknik från labbet, så att det kan gynna varenda en av oss, " förklarade han. "Snart en dag vill vi att barn ska ha kvantbärbara datorer i sina ryggsäckar, och vi arbetar hårt för att göra det till verklighet."