En ny väg mot att skicka och ta emot information med enstaka fotoner av ljus har upptäckts av ett internationellt team av forskare som leds av University of Michigan.

Deras experiment visade möjligheten att använda en effekt som kallas olinearitet för att modifiera och upptäcka extremt svaga ljussignaler, utnyttja distinkta förändringar i ett kvantsystem för att avancera nästa generations datorer.

I dag, eftersom kiselelektronikbaserad informationsteknik alltmer stryps av värme och energiförbrukning, olinjär optik undersöks intensivt som en potentiell lösning. Kvanteäggskartongen fångar upp och släpper ut fotoner, stödja "upphetsade" kvanttillstånd medan den har den extra energin. När energin i systemet stiger, det krävs ett större energihopp för att komma till det nästa upphetsade tillståndet - det är olinjärenheten.

"Forskare har undrat om detekterbara icke -linjära effekter kan upprätthållas vid extremt låga effektnivåer - ner till enskilda fotoner. Detta skulle ta oss till den grundläggande nedre gränsen för strömförbrukning vid informationsbehandling, "sa Hui Deng, professor i fysik och seniorförfattare till tidningen i Natur .

"Vi demonstrerade en ny typ av hybridstat för att föra oss till den regimen, länka ljus och materia genom en rad kvantpunkter, " tillade hon.

Fysikerna och ingenjörerna använde en ny typ av halvledare för att skapa kvantprickar arrangerade som en äggkartong. Kvantprickar är i huvudsak små strukturer som kan isolera och begränsa enskilda kvantpartiklar, som elektroner och andra, främmande saker. Dessa prickar är fickorna i äggkartongen. I detta fall, de begränsar excitoner, kvasipartiklar som består av en elektron och ett "hål". Ett hål visas när en elektron i en halvledare sparkas in i ett högre energiband, lämnar en positiv laddning på sin vanliga plats. Om hålet skuggar elektronen i dess parallella energiband, de två betraktas som en enda enhet, en exciton.

I konventionella enheter - med liten eller ingen olinearitet - vandrar excitonerna fritt och möter knappt varandra. Dessa material kan innehålla många identiska excitoner samtidigt utan att forskare märker någon förändring av materialegenskaperna.

Dock, om excitonen är begränsad till en kvantpunkt, det blir omöjligt att sätta i en andra identisk exciton i samma ficka. Du behöver en exciton med en högre energi om du vill få en annan där inne, vilket betyder att du behöver en foton med högre energi för att göra det. Detta kallas kvantblockad, och det är orsaken till olineariteten.

Men typiska kvantpunkter är bara några atomer tvärs över - de är inte på en användbar skala. Som en lösning, Dengs team skapade en rad kvantprickar som bidrar till olineariteten på en gång.

Teamet producerade detta äggkartongens energilandskap med två flingor halvledare, som anses vara tvådimensionella material eftersom de är gjorda av ett enda molekylskikt, bara några atomer tjocka. 2-D halvledare har kvantegenskaper som skiljer sig mycket från större bitar. Den ena flingan var volframdisulfid och den andra var molybden -diselenid. Lagd med en vinkel på cirka 56,5 grader mellan deras atomgaller, de två sammanflätade elektroniska strukturerna skapade ett större elektroniskt gitter, med fickor ca 10 atomer över.

För att matrisen med kvantprickar inuti 2-D-halvledaren ska kunna styras som en grupp med ljus, laget byggde en resonator genom att göra en spegel längst ner, lägga halvledaren ovanpå den, och sedan avsätta en andra spegel ovanpå halvledaren.

"Du måste kontrollera tjockleken mycket tätt så att halvledaren är maximalt för det optiska fältet, sa Zhang Long, en postdoktor i Deng -labbet och första författare på tidningen.

Med kvanteäggskartongen inbäddad i den speglade "håligheten" som gjorde att rött laserljus kunde resonera, laget observerade bildandet av ett annat kvanttillstånd, kallas en polariton. Polaritoner är en hybrid av excitonerna och ljuset i hålrummet. Detta bekräftade att alla kvantepunkter interagerar med ljus i samförstånd. I detta system, Dengs team visade att att sätta några excitoner i kartongen ledde till en mätbar förändring av polaritons energi - vilket demonstrerade olinearitet och visade att kvantblockad inträffade.

"Ingenjörer kan använda denna olinearitet för att urskilja energi som deponeras i systemet, potentiellt ner till den för en enda foton, vilket gör systemet lovande som en ultralåg energibrytare, "Sa Deng.

Växlar är bland de enheter som behövs för att uppnå ultralåg effektberäkning, och de kan byggas in i mer komplexa grindar.

"Professor Dengs forskning beskriver hur polariton -olineariteter kan skräddarsys för att konsumera mindre energi, "sa Michael Gerhold, programansvarig vid arméforskningskontoret, en del av US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Kontrollen av polaritoner syftar till framtida integrerad fotonik som används för datorer med ultralåg energi och informationsbehandling som kan användas för neuromorf behandling för synsystem, naturlig språkbehandling eller autonoma robotar. "

Kvantblockaden innebär också att ett liknande system möjligen kan användas för qubits, byggstenarna för kvantinformationsbehandling. En väg framåt är att räkna ut hur man ska adressera varje kvantpunkt i gruppen som en individuell qubit. Ett annat sätt skulle vara att uppnå polaritonblockad, liknande excitonblockaden som ses här. I denna version, uppsättningen excitoner, resonerar i tid med ljusvågen, skulle vara qubit.

Används på dessa sätt, de nya 2-D-halvledarna har potential att föra kvantanordningar upp till rumstemperatur, snarare än den extrema kylan av flytande kväve eller flytande helium.

"Vi kommer till slutet av Moores lag, "sa Steve Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Electrical Engineering och medförfattare till uppsatsen, med hänvisning till trenden med transistors densitet på ett chip som fördubblas vartannat år. "Tvådimensionella material har många spännande elektroniska och optiska egenskaper som kan, faktiskt, led oss ​​till det landet bortom kisel. "