Forskare vid University of Waterloos Institute for Quantum Computing (IQC) har sammanfört två Nobelprisbelönta forskningskoncept för att främja området kvantkommunikation.
Forskare kan nu effektivt producera nästan perfekta intrasslade fotonpar från kvantprickkällor. Forskningen, "Oscillerande fotonisk klocktillstånd från en halvledarkvantpunkt för kvantnyckelfördelning", publicerades i Communications Physics
Intrasslade fotoner är ljuspartiklar som förblir sammankopplade, även över stora avstånd, och 2022 års Nobelpris i fysik erkände experiment i detta ämne. Genom att kombinera intrassling med kvantprickar, en teknik som erkändes med Nobelpriset i kemi 2023, hade IQC-forskargruppen som mål att optimera processen för att skapa intrasslade fotoner, som har en mängd olika tillämpningar, inklusive säker kommunikation.
"Kombinationen av en hög grad av intrassling och hög effektivitet behövs för spännande applikationer såsom kvantnyckeldistribution eller kvantrepeaters, som är tänkta att förlänga avståndet för säker kvantkommunikation till en global skala eller länka fjärrkvantdatorer", säger Dr. . Michael Reimer, professor vid IQC och Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.
"Tidigare experiment mätte bara antingen nästan perfekt intrassling eller hög effektivitet, men vi är först med att uppnå båda kraven med en kvantpunkt."
Genom att bädda in halvledarkvantprickar i en nanotråd skapade forskarna en källa som skapar nästan perfekta intrasslade fotoner 65 gånger mer effektivt än tidigare arbete.
Denna nya källa, utvecklad i samarbete med National Research Council of Canada i Ottawa, kan exalteras med lasrar för att generera intrasslade par på kommando. Forskarna använde sedan högupplösta singelfotondetektorer från Single Quantum i Nederländerna för att öka graden av intrassling.
"Historiskt sett plågades kvantpunktsystem av ett problem som kallas finstrukturdelning, vilket gör att ett intrasslat tillstånd svänger över tiden. Detta innebar att mätningar som gjordes med ett långsamt detektionssystem skulle förhindra att intrasslingen mättes", säger Matteo Pennacchietti, en Ph.D. student vid IQC och Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.
"Vi övervann detta genom att kombinera våra kvantprickar med ett mycket snabbt och exakt detektionssystem. Vi kan i princip ta en tidsstämpel på hur det intrasslade tillståndet ser ut vid varje punkt under svängningarna, och det är där vi har den perfekta intrasslingen."
För att visa upp framtida kommunikationstillämpningar arbetade Reimer och Pennacchietti med Dr. Norbert Lütkenhaus och Dr. Thomas Jennewein, båda IQC-fakultetsmedlemmar och professorer vid Waterloos Institutionen för fysik och astronomi, och deras team.
Med hjälp av sin nya kvantpunkts-entanglement-källa simulerade forskarna en säker kommunikationsmetod känd som kvantnyckeldistribution, vilket bevisar att kvantpunktskällan har ett betydande löfte i framtiden för säker kvantkommunikation.
Mer information: Matteo Pennacchietti et al, Oscillerande fotonisk klocktillstånd från en halvledarkvantprick för kvantnyckelfördelning, Kommunikationsfysik (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01547-3
Journalinformation: Kommunikationsfysik
Tillhandahålls av University of Waterloo
