Hushållsglödlampor avger en kaotisk ström av energi, som biljoner små ljuspartiklar – kallade fotoner – reflekteras och sprids i alla riktningar. Kvantljuskällor, å andra sidan, är som ljusvapen som avfyrar enstaka fotoner en efter en, varje gång de utlöses, gör det möjligt för dem att bära hacksäker digital information – teknik som är attraktiv för branscher som finans och försvar.

Nu, forskare vid Stevens Institute of Technology och Columbia University har utvecklat en skalbar metod för att skapa ett stort antal av dessa kvantljuskällor på ett chip med oöverträffad precision som inte bara kan bana väg för utvecklingen av okrossbara kryptografiska system utan även kvantdatorer som kan prestera komplexa beräkningar på några sekunder som skulle ta vanliga datorer år att slutföra.

"Sökandet efter skalbara kvantljuskällor har pågått i 20 år, och på senare tid har blivit en nationell prioritet, säger Stefan Strauf, som ledde arbetet och är även chef för Stevens' Nanophotonic Lab. "Det här är första gången någon har uppnått en nivå av rumslig kontroll i kombination med hög effektivitet på ett chip som är skalbart, som alla behövs för att förverkliga kvantteknologier."

Arbetet, kommer att rapporteras i onlinenumret för den 29 oktober Naturens nanoteknik , beskriver en ny metod för att skapa kvantljuskällor på begäran på valfri plats på ett chip, genom att sträcka en atomtunn film av halvledande material över nanokuber gjorda av guld. Som spänd klämma, filmen sträcker sig över hörnen på nanokuberna, prägling av definierade platser där enfotonemitters bildas.

Tidigare forskning har testat metoder för att producera kvantemitter på definierade platser, men dessa konstruktioner var inte skalbara eller effektiva för att trigga enstaka fotoner tillräckligt ofta för att vara praktiskt användbara. Strauf och hans team ändrade allt detta genom att bli de första att kombinera rumslig kontroll och skalbarhet med förmågan att effektivt sända ut fotoner på begäran.

För att uppnå dessa förmågor, Straufs team designade ett unikt tillvägagångssätt där guldnanokuben tjänar ett dubbelt syfte:den präglar kvantemittern på chipet och den fungerar som en antenn runt den. Genom att skapa kvantemitterna mellan guldnanokuben och spegeln, Strauf lämnade ett fem nanometer smalt mellanrum—20, 000 gånger mindre än bredden på ett pappersark.

"Detta lilla utrymme mellan spegeln och nanokuben skapar en optisk antenn som leder alla fotoner in i det där fem nanometershålet, därigenom koncentrerar all energi", säger Strauf. "I huvudsak, det ger den nödvändiga förstärkningen för de enskilda fotonerna att sändas ut snabbt från den definierade platsen och i önskad riktning."

För att ytterligare förbättra effektiviteten hos kvantljuskällorna, Strauf slog sig ihop med Katayun Barmak och James Hone, vid Columbia University, som utvecklade en teknik för att odla halvledarkristaller som är nästan fria från defekter. Genom att använda dessa unika kristaller, Stevens doktorand Yue Luo byggde rader av kvantemitter på ett chip genom att sträcka det atomtunna materialet över nanokuberna. Nanoantennerna bildas genom att fästa spegeln, på undersidan av nanokuben.

Resultatet:en rekordhög skjutning på 42 miljoner enstaka fotoner per sekund; med andra ord, varannan trigger skapade en foton på begäran, jämfört med endast en av 100 triggers tidigare.

Även om den är liten, utsläppen är anmärkningsvärt tuffa. "De är förvånansvärt stabila, " säger Strauf. "Vi kan kyla dem och värma dem och ta isär resonatorn och sätta ihop den igen, och de fungerar fortfarande." De flesta kvantutsändare måste hållas kylda till -273°C men den nya tekniken fungerar upp till -70°C. "Vi har ännu inte rumstemperatur, säger Strauf, "men nuvarande experiment visar att det är möjligt att nå dit."