Kvantinformationsvetenskap och -teknik har dykt upp som ett nytt paradigm för dramatiskt snabbare beräkningar och säker kommunikation under 2000-talet. Kärnan i ett kvantsystem är den mest grundläggande byggstenen, kvantbiten eller qbiten, som bär den kvantinformation som kan överföras och bearbetas (detta är kvantanalogen till biten som används i nuvarande informationssystem). Den mest lovande bäraren qbit för slutligen snabb, långdistans överföring av kvantinformation är fotonen, ljusets kvantenhet.
Utmaningen som forskare står inför är att producera artificiella källor till fotoner för olika kvantinformationsuppgifter. En av de största utmaningarna är utvecklingen av effektiva, skalbara fotonkällor som kan monteras på ett chip och fungera i rumstemperatur. De flesta källor som används i laboratorier idag måste vara mycket kalla (vid temperaturen för flytande Helium, ca -270C), vilket kräver stora och dyra kylskåp. Många källor avger också fotoner i odefinierade riktningar, gör effektiv insamling till ett svårt problem.
Nu, ett team av forskare från hebreiska universitetet i Jerusalem har visat en effektiv och kompakt enkelfotonkälla som kan arbeta på ett chip vid omgivande temperaturer. Med små nanokristaller gjorda av halvledande material, forskarna utvecklade en metod där en enda nanokristall exakt kan placeras ovanpå en specialdesignad och noggrant tillverkad nanoantenn.
På samma sätt riktar stora antenner på hustak emission av klassiska radiovågor för cellulära och satellitsändningar, nano-antennen riktade effektivt de enstaka fotoner som sändes ut från nanokristallerna till en väldefinierad riktning i rymden. Denna kombinerade nanokristall-nanoantennanordning kunde producera en mycket riktad ström av enstaka fotoner som alla flög i samma riktning med en rekordlåg divergensvinkel. Dessa fotoner samlades sedan in med en mycket enkel optisk inställning, och skickas för att detekteras och analyseras med användning av enstaka fotondetektorer.
Teamet visade att denna hybridenhet förbättrar insamlingseffektiviteten för enstaka fotoner med mer än en faktor 10 jämfört med en enda nanokristall utan antenn, utan behov av komplexa och skrymmande optiska insamlingssystem som används i många andra experiment. Experimentella resultat visar att nästan 40% av fotonerna lätt samlas in med en mycket enkel optisk apparat, och över 20 % av fotonerna sänds ut i en mycket låg numerisk bländare, en 20-faldig förbättring jämfört med en fristående kvantprick, och med en sannolikhet på mer än 70% för en enda fotonemission. Den enkla fotonens renhet begränsas endast av emission från metallen, ett hinder som kan kringgås med noggrann design och tillverkning.
Antennerna tillverkades med enkla metalliska och dielektriska lager med metoder som är kompatibla med nuvarande industriell tillverkningsteknik, och många sådana anordningar kan tillverkas tätt på ett litet chip. Teamet arbetar nu på en ny generation av förbättrade enheter som kommer att möjliggöra deterministisk produktion av enstaka fotoner direkt från chipet till optiska fibrer, utan ytterligare optiska komponenter, med en nästan enhetlig effektivitet.
"Denna forskning banar en lovande väg för en hög renhet, hög effektivitet, on-chip enkel fotonkälla som arbetar vid rumstemperatur, ett koncept som kan utvidgas till många typer av kvantemitter. En mycket riktad enfotonkälla kan leda till betydande framsteg när det gäller att producera kompakta, billig, och effektiva källor till kvantinformationsbitar för framtida kvantteknologiska tillämpningar ", sa prof. Ronen Rapaport, från Racah Institute of Physics, Institutionen för tillämpad fysik, och Center of Nanoscience and Nanotechnology vid Hebrew University of Jerusalem.
Studien publiceras i Nanobokstäver .
