Den moderna världen drivs av elektriska kretsar på ett "chip" - halvledarchipset som ligger till grund för datorer, mobiltelefoner, internet, och andra applikationer. År 2025, människor förväntas skapa 175 zettabyte (175 biljoner gigabyte) av ny data. Hur kan vi säkerställa säkerheten för känsliga uppgifter i så hög volym? Och hur kan vi ta itu med stora utmaningar-liknande problem, från integritet och säkerhet till klimatförändringar, utnyttja denna data, speciellt med tanke på den begränsade kapaciteten hos nuvarande datorer?

Ett lovande alternativ är framväxande kvantkommunikations- och beräkningsteknologier. För att detta ska hända, dock, det kommer att kräva en omfattande utveckling av kraftfulla nya kvantoptiska kretsar; kretsar som på ett säkert sätt kan bearbeta de enorma mängder information vi genererar varje dag. Forskare vid USC:s Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science har gjort ett genombrott för att möjliggöra denna teknik.

Medan en traditionell elektrisk krets är en väg längs vilken elektroner från en elektrisk laddning flyter, en kvantoptisk krets använder ljuskällor som genererar individuella ljuspartiklar, eller fotoner, på begäran, en i taget, fungerar som informationsbärande bitar (kvantbitar eller kvantbitar). Dessa ljuskällor är halvledar-"kvantprickar" i nanostorlek - små tillverkade samlingar av tiotusentals till en miljon atomer packade inom en volym av linjär storlek mindre än en tusendel av tjockleken på typiskt människohår begravt i en matris av en annan lämplig halvledare .

De har hittills visat sig vara de mest mångsidiga enfotongeneratorerna på begäran. Den optiska kretsen kräver att dessa enstaka fotonkällor är anordnade på ett halvledarchip i ett regelbundet mönster. Fotoner med nästan identisk våglängd från källorna måste då frigöras i en guidad riktning. Detta gör att de kan manipuleras för att bilda interaktioner med andra fotoner och partiklar för att överföra och bearbeta information.

Tills nu, det har funnits ett betydande hinder för utvecklingen av sådana kretsar. Till exempel, i nuvarande tillverkningsteknik har kvantprickar olika storlekar och former och sätts ihop på chipet på slumpmässiga platser. Det faktum att prickarna har olika storlekar och former gör att fotonerna de släpper inte har enhetliga våglängder. Detta och avsaknaden av positionsordning gör dem olämpliga för användning i utvecklingen av optiska kretsar.

I nyligen publicerade verk, forskare vid USC har visat att enstaka fotoner verkligen kan sändas ut på ett enhetligt sätt från kvantprickar ordnade i ett exakt mönster. Det bör noteras att metoden för att anpassa kvantprickar först utvecklades vid USC av den ledande PI, Professor Anupam Madhukar, och hans team för nästan trettio år sedan, långt före den nuvarande explosiva forskningsaktiviteten inom kvantinformation och intresse för enfotonkällor på chip. I detta senaste verk, USC-teamet har använt sådana metoder för att skapa enstaka kvantprickar, med sina anmärkningsvärda enfotonemissionsegenskaper. Det förväntas att förmågan att exakt justera likformigt emitterande kvantpunkter kommer att möjliggöra produktion av optiska kretsar, potentiellt leda till nya framsteg inom kvantdator- och kommunikationsteknik.

Arbetet, publicerad i APL fotonik , leddes av Jiefei Zhang, för närvarande forskarassistent vid Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, med motsvarande författare Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris professor i teknik och professor i kemiteknik, Ellära, Materialvetenskap, och fysik.

"Genombrottet banar väg för nästa steg som krävs för att gå från laboratoriedemonstration av en fotons fysik till chip-skala tillverkning av kvantfotoniska kretsar, ", sa Zhang. "Detta har potentiella tillämpningar inom kvantkommunikation (säker) bildbehandling, avkänning och kvantsimuleringar och beräkningar."

Madhukar sa att det är viktigt att kvantprickar ordnas på ett exakt sätt så att fotoner som frigörs från två eller flera punkter kan manipuleras för att ansluta till varandra på chipet. Detta kommer att utgöra grunden för byggenheten för kvantoptiska kretsar.

"Om källan där fotonerna kommer ifrån är slumpmässigt placerad, det här kan inte fås att hända." sa Madhukar.

"Den nuvarande tekniken som gör att vi kan kommunicera online, till exempel med hjälp av en teknisk plattform som Zoom, är baserad på det kiselintegrerade elektroniska chipet. Om transistorerna på det chippet inte är placerade på exakt utformade platser, det skulle inte finnas någon integrerad elektrisk krets, Madhukar sa. "Det är samma krav för fotonkällor som kvantprickar för att skapa kvantoptiska kretsar."

Forskningen stöds av Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) och U.S. Army Research Office (ARO).

"Detta framsteg är ett viktigt exempel på hur man löser grundläggande materialvetenskapliga utmaningar, som hur man skapar kvantprickar med exakt position och sammansättning, kan ha stora nedströmsimplikationer för teknologier som kvantberäkning, sa Evan Runnerström, programansvarig, Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory. "Detta visar hur ARO:s riktade investeringar i grundforskning stödjer arméns varaktiga moderniseringsinsatser inom områden som nätverk."

För att skapa den exakta layouten av kvantpunkter för kretsarna, teamet använde en metod som heter SESRE (substratkodad storleksreducerande epitaxi) som utvecklades i Madhukar-gruppen i början av 1990-talet. I det pågående arbetet, teamet tillverkade regelbundna arrayer av nanometerstora mesas med en definierad kantorientering, form (sidoväggar) och djup på ett plant halvledarsubstrat, består av galliumarsenid (GaAs). Kvantprickar skapas sedan ovanpå mesas genom att lägga till lämpliga atomer med hjälp av följande teknik.

Först, inkommande galliumatomer (Ga) samlas på toppen av de nanoskaliga mesas som attraheras av ytenergikrafter, där de sätter in GaAs. Sedan, det inkommande flödet växlas till indium (In) atomer, att i sin tur deponera indiumarsenid (InAs) följt tillbaka av Ga-atomer för att bilda GaAs och därmed skapa de önskade individuella kvantprickarna som i slutändan frigör enstaka fotoner. För att vara användbar för att skapa optiska kretsar, utrymmet mellan de pyramidformade nanomesorna måste fyllas med material som plattar ytan. Det sista chipet där ogenomskinliga GaAs avbildas som ett genomskinligt överskikt under vilket kvantprickarna är placerade.

"Detta arbete sätter också ett nytt världsrekord av ordnade och skalbara kvantprickar när det gäller den samtidiga renheten av enfotonutsläpp som är större än 99,5 %, och när det gäller enhetligheten hos våglängden för de emitterade fotonerna, som kan vara så smal som 1,8 nm, vilket är en faktor 20 till 40 bättre än typiska kvantprickar, " sa Zhang.

Zhang sa att med denna enhetlighet, det blir möjligt att tillämpa etablerade metoder som lokal uppvärmning eller elektriska fält för att finjustera fotonvåglängderna för kvantpunkterna för att exakt matcha varandra, vilket är nödvändigt för att skapa de nödvändiga sammankopplingarna mellan olika kvantpunkter för kretsar.

Detta innebär att forskare för första gången kan skapa skalbara kvantfotonchips med hjälp av väletablerade halvledarbearbetningstekniker. Dessutom, teamets ansträngningar är nu inriktade på att fastställa hur identiska de emitterade fotonerna är från samma och/eller från olika kvantprickar. Graden av omöjlighet att särskilja är central för kvanteffekter av interferens och intrassling, som underbygger kvantinformationsbehandling -kommunikation, avkänning, bildbehandling, eller datoranvändning.

Zhang avslutade:"Vi har nu ett tillvägagångssätt och en materialplattform för att tillhandahålla skalbara och ordnade källor som genererar potentiellt oskiljbara singelfotoner för kvantinformationstillämpningar. Tillvägagångssättet är generellt och kan användas för andra lämpliga materialkombinationer för att skapa kvantpunkter som emitterar över en brett spektrum av våglängder föredragna för olika applikationer, till exempel fiberbaserad optisk kommunikation eller det mellaninfraröda systemet, lämpad för miljöövervakning och medicinsk diagnostik, " sa Zhang.

Gernot S. Pomrenke, AFOSR programansvarig, Optoelektronik och fotonik sa att tillförlitliga arrayer av en-fotonkällor på begäran på chipet var ett stort steg framåt.

"Detta imponerande tillväxt- och materialvetenskapliga arbete sträcker sig över tre decennier av hängivna ansträngningar innan forskningsaktiviteter inom kvantinformation var i mainstream, " sade Pomrenke. "Initial AFOSR-finansiering och resurser från andra DoD-byråer har varit avgörande för att förverkliga Madhukars utmanande arbete och vision, hans elever, och kollaboratörer. Det finns en stor sannolikhet att arbetet kommer att revolutionera datacenters kapacitet, medicinsk diagnostik, försvar och relaterad teknik."