Runt om i världen arbetar specialister med att implementera kvantinformationsteknologier. En viktig väg involverar ljus:Om man ser framåt kan enstaka ljuspaket, även kända som ljuskvanta eller fotoner, överföra data som är både kodad och effektivt tappsäker. För detta krävs nya fotonkällor som avger enstaka ljuskvanta på ett kontrollerat sätt – och på begäran. Först nyligen har det upptäckts att kisel kan vara värd för källor för singelfotoner med egenskaper som är lämpliga för kvantkommunikation. Hittills har dock ingen vetat hur man integrerar källorna i moderna fotoniska kretsar.

För första gången har ett team under ledning av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nu presenterat en lämplig produktionsteknik med kiselnanopelare:En kemisk etsmetod följt av jonbombardemang. Deras forskning publiceras i Journal of Applied Physics .

"Kilsel- och enfotonkällor inom telekommunikationsområdet har länge varit den felande länken för att påskynda utvecklingen av kvantkommunikation med optiska fibrer. Nu har vi skapat de nödvändiga förutsättningarna för det", förklarar Dr Yonder Berencén vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research som ledde den aktuella studien. Även om enfotonkällor har tillverkats i material som diamanter, genererar endast kiselbaserade källor ljuspartiklar med rätt våglängd för att spridas i optiska fibrer – en avsevärd fördel för praktiska ändamål.

Forskarna uppnådde detta tekniska genombrott genom att välja en våtetsningsteknik - det som är känt som MacEtch (metallassisterad kemisk etsning) - snarare än de konventionella torretsningsteknikerna för att bearbeta kisel på ett chip. Dessa standardmetoder, som tillåter skapandet av fotoniska kiselstrukturer, använder mycket reaktiva joner. Dessa joner inducerar ljusemitterande defekter orsakade av strålningsskadorna i kislet. De är dock slumpmässigt fördelade och överlagrar den önskade optiska signalen med brus. Metallassisterad kemisk etsning å andra sidan genererar inte dessa defekter – istället etsas materialet bort kemiskt under en sorts metallisk mask.

Målet:Enskilda fotonkällor kompatibla med det fiberoptiska nätverket

Med hjälp av MacEtch-metoden tillverkade forskare initialt den enklaste formen av en potentiell ljusvågsledande struktur:kiselnanopelare på ett chip. De bombarderade sedan de färdiga nanopelarna med koljoner, precis som de skulle med ett massivt kiselblock, och genererade på så sätt fotonkällor inbäddade i pelarna. Genom att använda den nya etsningstekniken kan storleken, avståndet och ytdensiteten hos nanopelarna kontrolleras och justeras för att vara kompatibla med moderna fotoniska kretsar. Per kvadratmillimeter chip leder och buntar tusentals kiselnanopelare ljuset från källorna genom att rikta det vertikalt genom pelarna.

Forskarna varierade diametern på pelarna eftersom "vi hade hoppats att detta skulle innebära att vi kunde skapa en enda defekt på tunna pelare och faktiskt generera en enda fotonkälla per pelare", förklarar Berencén. "Det fungerade inte perfekt första gången. Som jämförelse, även för de tunnaste pelarna, var dosen av vårt kolbombardement för hög. Men nu är det bara ett kort steg till enskilda fotonkällor."

Detta är ett steg som teamet redan arbetar intensivt med eftersom den nya tekniken också har släppt lös något av ett lopp för framtida tillämpningar.

"Min dröm är att integrera alla elementära byggstenar, från en enda fotonkälla via fotoniska element till en enda fotondetektor, på ett enda chip och sedan ansluta massor av chips via kommersiella optiska fibrer för att bilda ett modulärt kvantnätverk", säger Berencén. + Utforska vidare

Enstaka fotoner från ett kiselchip