Figur 1. Schematisk illustration av en dubbel kvantpunkt (DQD) och laddningssensorer (CS) tillverkade på (110) GaAs-substrat. Kredit:Tomohiro Nakagawa et al.
Forskare från Institutet för vetenskaplig och industriell forskning (SANKEN) vid Osaka University har i samarbete med Canadian National Research Council (NRC) utvecklat en kvantprick av galliumarsenid (GaAs) som kan fånga individuella elektroner. Genom att kontrollera den kristallografiska orienteringen av substratet hoppas forskargruppen kunna optimera omvandlingen av fotoner till spinnpolariserade elektroner. Detta arbete kan hjälpa till att göra kvantnätverk mer praktiska, särskilt för att kryptera säker data.
Varje dator eller surfplatta du har ägt är baserad på beräkningar med laddningen av elektroner. Medan nuvarande elektroniska enheter har uppnått fantastiska prestationer av bearbetningshastighet samtidigt som de blivit allt mindre, finns det möjlighet att tillverkare en dag snart kan komma på grundläggande gränser för vad som kan göras med konventionella metoder. Ett lovande alternativ är att också använda elektronernas inneboende magnetiska moment, kallat "spin". Eftersom dessa snurr kan sättas i en superposition av både upp och ner samtidigt, öppnar det vägen för kvantdatorer som kanske kan lösa vissa problem mycket snabbare än nuvarande hårdvara. Spin kan också användas som medium för kvantkommunikation genom att överföra kvantinformation med ljus. Men denna process att överföra information till spinn av extremt små elektroner är utmanande och måste utföras effektivt.
Nu har ett team av forskare under ledning av Osaka University insett världens första GaAs-grindstyrda kvantpunktskrets på en (110)-orienterad yta som lovar att öka effektiviteten för omvandling av foton-elektronspinn (se Fig.1). Detta har effekten av att koda kvantinformation från infallande fotoner till elektronsnurrarna. "Vi tror att vår forskning är den första demonstrationen av en grinddefinierad kvantpunktskrets som också har laddningsdetekteringsförmåga, med denna speciella orientering av ett GaAs-substrat", säger första författaren Tomohiro Nakagawa.
Foton-elektronspinkonvertering utförs genom att excitera en elektron och ett hål via absorption av en foton. Även om det finns två typer av hål, tunga och lätta, har konventionellt endast lätta hål i GaAs-kvantpunktskretsar på (001)-orienterade ytor använts. På grund av hur hålet interagerar med GaAs-kristallgittret, kan g-faktorn, som hjälper till att bestämma det magnetiska momentet som ett resultat av spinnet, effektivt vara olika i olika kryptografiska orienteringar. Denna funktion möjliggör effektiv omvandling av kvantinformation genom att använda ett tungt håltillstånd, vilket tidigare var omöjligt för konventionella substrat. I framtiden kan detta vara en del av ett protokoll för att skicka oknäckbara kvanthemliga nycklar för att säkra känslig data. "En tillämpning av vårt arbete kan vara absolut säker kvantkryptografisk kommunikation över långa avstånd", säger motsvarande författare Akira Oiwa.
Detta arbete har uppnåtts som en del av ett starkt internationellt samarbete med NRC. "Att sammanföra kompletterande expertis, know-how och faciliteter kan avsevärt öka takten i arbetet mot de gemensamma målen för båda grupperna, i det här fallet utvecklingen av kvantnätverk. Internationellt samarbete kommer att vara avgörande för utvecklingen av kvantnätverksteknologier över de kommande decennierna", säger NRC Senior Research Officer David G. Austing. + Utforska vidare
