Även om baselforskarnas kvantprickar är olika, avger de exakt identiska ljuspartiklar. Kredit:University of Basel, Institutionen för fysik
Identiska ljuspartiklar (fotoner) är viktiga för många tekniker som är baserade på kvantfysik. Ett team av forskare från Basel och Bochum har nu producerat identiska fotoner med olika kvantpunkter – ett viktigt steg mot tillämpningar som tappsäker kommunikation och kvantinternet.
Många tekniker som använder sig av kvanteffekter är baserade på exakt lika fotoner. Att producera sådana fotoner är dock extremt svårt. De behöver inte bara ha exakt samma våglängd (färg), utan deras form och polarisering måste också matcha.
Ett team av forskare ledda av Richard Warburton vid universitetet i Basel, i samarbete med kollegor vid universitetet i Bochum, har nu lyckats skapa identiska fotoner som kommer från olika och vitt åtskilda källor.
Enstaka fotoner från kvantprickar
I sina experiment använde fysikerna så kallade kvantprickar, strukturer i halvledare bara några nanometer stora. I kvantprickarna är elektroner fångade så att de bara kan ta på mycket specifika energinivåer. Ljus sänds ut när man gör en övergång från en nivå till en annan. Med hjälp av en laserpuls som utlöser en sådan övergång kan alltså enstaka fotoner skapas med en knapptryckning.
"Under de senaste åren har andra forskare redan skapat identiska fotoner med olika kvantprickar", förklarar Lian Zhai, en postdoktor och första författare till studien som nyligen publicerades i Nature Nanotechnology . "För att göra det, men från ett stort antal fotoner var de tvungna att välja och vraka de som var mest lika med optiska filter." På det sättet återstod bara väldigt få användbara fotoner.
Warburton och hans medarbetare valde ett annat, mer ambitiöst tillvägagångssätt. Först producerade specialisterna i Bochum extremt ren galliumarsenid som kvantprickarna gjordes av. De naturliga variationerna mellan olika kvantprickar skulle därmed kunna hållas till ett minimum. Fysikerna i Basel använde sedan elektroder för att exponera två kvantprickar för exakt avstämda elektriska fält. Dessa fält modifierade kvantprickarnas energinivåer, och de justerades på ett sådant sätt att fotonerna som emitterades av kvantprickarna hade exakt samma våglängd.
93 % identiska
To demonstrate that the photons were actually indistinguishable, the researchers sent them onto a half-silvered mirror. They observed that, almost every time, the light particles either passed through the mirror as a pair or else were reflected as a pair. From that observation they could conclude that the photons were 93% identical. In other words, the photons formed twins even though they were "born" completely independently of one another.
Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.
"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Utforska vidare
