Om echt op te stijgen, geavanceerde kwantuminformatieverwerking vereist een beter (experimenteel) begrip van een essentieel fenomeen dat 'niet te onderscheiden fotonen' wordt genoemd. Een hoge mate van "ononderscheidbaarheid" vereist een bijna volledige overlap van golfpakketten, of perfecte foton matching, van energie, ruimte, tijd en polarisatie.

Hoewel veel soorten single-photon emitters, zoals halfgeleider kwantumdots, al hebben aangetoond dat ze niet van elkaar te onderscheiden fotonen hebben gegenereerd, een groep onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba en het Japanse National Institute for Materials Science hebben gekeken naar het gebruik van een stikstofonzuiverheidscentrum in III-V samengestelde halfgeleiders als een nieuwe single-photon-bron. Ze rapporteren hun resultaten deze week in het journaal Technische Natuurkunde Brieven .

Stikstofluminescentiecentra binnen III-V samengestelde halfgeleiders, samengesteld uit elementen in kolommen III en IV van het periodiek systeem zoals GaAs, tonen een scherp emissiespectrum dat overeenkomt met een energietoestand die bekend staat als een "iso-elektronische val". Het genereren van één foton uit deze iso-elektronische vallen is zeer wenselijk vanwege de homogeniteit die het biedt, het uitzenden van fotonen uit meerdere centra met dezelfde energie.

"Onze studies bevestigden dat iso-elektronische vallen inderdaad een lange coherentietijd hebben, wat een van de noodzakelijke voorwaarden is voor het creëren van een niet te onderscheiden foton, " zei Michio Ikezawa, een universitair hoofddocent bij Zuivere en Toegepaste Wetenschappen, Universiteit van Tsukuba.

Voor de studie, de groep evalueerde eerst de ononderscheidbaarheid van fotonen die worden uitgezonden door een luminescentiecentrum in met stikstofdelta gedoteerde GaAs door twee-fotoninterferentie. Ze onderzochten ook de tijdsafhankelijkheid, die belangrijke informatie onthulde over de tijdschaal van decoherentie (anders gezegd, wanneer het kwantumsysteem vervaagt en klassiek toestandsgedrag vertoont) dat een uitdaging kan zijn om via andere methoden te verkrijgen.

Voor dit werk, het "emissiecentrum" dat als iso-elektronische val fungeert, wordt gevormd door de onzuiverheid in GaAs waar stikstof het arseen heeft vervangen. "Als het monster fotogeëxciteerd is, elke val kan één elektron-gatpaar vangen en één enkel foton uitzenden door een stralingsrecombinatie ervan, ' zei Ikezawa.

Deze stikstofverontreinigingen worden vervolgens "gedoteerd in een zeer dunne tweedimensionale laag door de zogenaamde delta-dopingtechniek tijdens de groei van metaalorganische chemische dampafzetting, " zei Ikezawa. "Met behulp van deze techniek, een enkel luminescentiecentrum kan worden geselecteerd met een conventionele optische microscoop."

Het meten van de ononderscheidbaarheid bood verrassend inzicht. "De niet te onderscheiden was 0,24, die onafhankelijk was van het tijdsinterval tussen 2 en 4 nanoseconden, " zei Ikezawa. "Dit was enigszins verrassend in vergelijking met eerdere studies van kwantumstippen, en we concludeerden dat er een zeer snel dephasing-mechanisme is binnen 2 nanoseconden in onze steekproef."

De resultaten van de groep zijn niet alleen belangrijk omdat ze de eerste demonstratie zijn van het meten van twee-fotoninterferentie van niet te onderscheiden fotonen gecreëerd door onzuiverheidscentra in III-IV halfgeleiders, maar ook omdat ze overeenkomsten en verschillen onderzoeken met typische kwantumstippen voor decoherentiemechanismen.

Wat toepassingen betreft, "niet te onderscheiden fotonen zijn erg belangrijk voor kwantuminformatietechnologie zoals kwantumteleportatie en lineaire optische kwantumberekening, " Zei Ikezawa. "Ons doel is om veel fotonbronnen te kunnen leveren die niet van elkaar te onderscheiden fotonen genereren in een geïntegreerde vorm in een halfgeleiderchip."

Hoewel kwantumstippen voor halfgeleiders intensief zijn bestudeerd met vergelijkbare doelen, "het is in principe moeilijk om de energie van fotonen verkregen uit veel kwantumstippen hetzelfde te maken, zodat ze niet van elkaar te onderscheiden zijn, " Zei Ikezawa. "De ononderscheidbaarheid die deze keer werd verkregen, was niet hoog genoeg. Men denkt dat het wordt veroorzaakt door het snelle relaxatiemechanisme dat we hebben gerapporteerd, dus een toekomstige taak zal zijn om het mechanisme te verduidelijken en een methode te vinden om het te onderdrukken."