Forskare vid universitetet i Basel och Ruhruniversitetet i Bochum har utvecklat en källa för enskilda fotoner som kan producera miljarder av dessa kvantpartiklar per sekund. Med sin rekordartade effektivitet, fotonkällan representerar en ny och kraftfull byggsten för kvantteknologier.

Kvantkryptografi lovar absolut säker kommunikation. En nyckelkomponent här är strängar av enstaka fotoner. Information kan lagras i dessa ljuspartiklars kvanttillstånd och överföras över långa avstånd. I framtiden, avlägsna kvantprocessorer kommer att kommunicera med varandra via enstaka fotoner. Och kanske kommer processorn själv att använda fotoner som kvantbitar för beräkning.

En grundläggande förutsättning för sådana applikationer, dock, är en effektiv källa för enskilda fotoner. En forskargrupp ledd av professor Richard Warburton, Natasha Tomm och Dr Alisa Javadi från universitetet i Basel, tillsammans med kollegor från Bochum, rapporterar nu i journalen Naturens nanoteknik på utvecklingen av en enfotonkälla som avsevärt överträffar tidigare kända system vad gäller effektivitet.

"Tratt" leder ljuspartiklar

Varje foton skapas genom att excitera en enda "konstgjord atom" (en kvantprick) inuti en halvledare. Vanligtvis, dessa fotoner lämnar kvantpunkten i alla möjliga riktningar och därmed går en stor del förlorad. I fotonkällan som nu presenteras, forskarna har löst detta problem genom att placera kvantpunkten inuti en "tratt" för att skicka alla fotoner i en specifik riktning.

Tratten är en ny mikrokavitet som representerar forskargruppens verkliga innovation:Mikrokaviteten fångar nästan alla fotoner och leder dem sedan in i en optisk fiber. Fotonerna, var och en cirka två centimeter lång, dyker upp i änden av en optisk fiber.

Effektiviteten i hela systemet – det vill säga sannolikheten att excitation av kvantpunkten faktiskt resulterar i en användbar foton - är 57 procent, mer än dubbelt så mycket som tidigare enfotonkällor. "Detta är ett riktigt speciellt ögonblick, " förklarar huvudförfattaren Richard Warburton. "Vi har vetat i ett eller två år vad som är möjligt i princip. Nu har vi lyckats omsätta våra idéer i praktiken."

Enorma ökning av datorkraft

Den ökade effektiviteten har betydande konsekvenser, Warburton tillägger:"att öka effektiviteten för att skapa en enskild foton med en faktor två ger en total förbättring på en faktor på en miljon för en sträng av, säga, 20 fotoner. I framtiden, vi skulle vilja göra vår enfotonkälla ännu bättre:vi skulle vilja förenkla den och fortsätta med några av dess otaliga tillämpningar inom kvantkryptografi, kvantdatorer och andra tekniker."