Het potentieel voor fotonenverstrengeling in kwantumcomputers en communicatie is al tientallen jaren bekend. Een van de problemen die de onmiddellijke toepassing ervan in de weg staan, is het feit dat veel platforms voor fotonenverstrengeling niet werken binnen het bereik dat door de meeste vormen van telecommunicatie wordt gebruikt.

Een internationaal team van onderzoekers is begonnen met het ontrafelen van de mysteries van verstrengelde fotonen, demonstreert een nieuwe techniek op nanoschaal die halfgeleiderkwantumdots gebruikt om fotonen te buigen naar de golflengten die worden gebruikt door de huidige populaire C-bandstandaarden. Ze melden hun werk deze week in Technische Natuurkunde Brieven .

"We hebben voor de eerste keer ooit de emissie van polarisatie-verstrengelde fotonen van een kwantumstip op 1550 nanometer aangetoond, " zei Simone Luca Portalupi, een van de auteurs van het werk en een senior wetenschapper aan het Institute of Semiconductor Optics and Functional Interfaces aan de Universiteit van Stuttgart. "We bevinden ons nu op de golflengte die kwantumcommunicatie over lange afstanden kan dragen met bestaande telecommunicatietechnologie."

De onderzoekers gebruikten kwantumdots gemaakt van een indiumarsenide- en galliumarsenideplatform, het produceren van zuivere enkelvoudige fotonen en verstrengelde fotonen. In tegenstelling tot parametrische down-conversietechnieken, kwantumdots zorgen ervoor dat fotonen slechts één voor één en op aanvraag worden uitgezonden, cruciale eigenschappen voor quantum computing. Een gedistribueerde Bragg-reflector, die is gemaakt van meerdere gelaagde materialen en reflecteert over een breed spectrum, stuurde de fotonen vervolgens naar een microscoopobjectief, zodat ze verzameld en gemeten kunnen worden.

Onderzoekers en marktleiders hebben ontdekt dat de C-band - een specifiek bereik van infrarode golflengten - een elektromagnetische sweet spot in telecommunicatie is geworden. Fotonen die door zowel optische vezels als de atmosfeer binnen dit bereik reizen, ervaren aanzienlijk minder absorptie, waardoor ze perfect zijn voor het doorgeven van signalen over lange afstanden.

"Het telecom C-bandvenster heeft de absolute minimale absorptie die we kunnen bereiken voor signaaloverdracht, " zei Fabian Olbrich, een andere van de auteurs van het artikel. "Zoals wetenschappers ontdekkingen hebben gedaan, industrie heeft de technologie verbeterd, waardoor wetenschappers meer ontdekkingen konden doen, en dus hebben we nu een standaard die heel goed werkt en een lage spreiding heeft."

Meest verstrengelde fotonen afkomstig van kwantumstippen, echter, werken in de buurt van 900 nanometer, dichter bij golflengten die we met het blote oog kunnen zien.

De onderzoekers waren onder de indruk van de kwaliteit van het signaal, zei Olbrich. Andere pogingen om de emissiegolflengte van polarisatie-verstrengelde fotonen van kwantumstippen naar de C-band te verschuiven, hadden de neiging om de exciton-fijnstructuursplitsing (FSS) te vergroten, een hoeveelheid die bijna nul moet zijn voor het genereren van verstrengeling. Het team van Olbrich meldt dat hun experiment minder dan een vijfde zoveel FSS ervoer als andere studies in de literatuur.

"De kans om een ​​kwantumpunt te vinden die in staat is om polarisatie-verstrengelde fotonen met hoge betrouwbaarheid uit te zenden, is vrij hoog voor onze specifieke studie, ' zei Olbrich.

Bij elk succesvol experiment de kwantumcommunicatiegemeenschap ziet haar veld buigen in de richting van grotere toepasbaarheid in de hedendaagse telecommunicatie-industrie. Onderzoekers hopen dat op een dag, verstrengelde fotonen zullen invloed hebben op cryptografie en veilige satellietcommunicatie.

"Het moeilijkste is nu om alle voordelen van het systeem te combineren en te voldoen aan voorwaarden zoals een hoge ononderscheidbaarheid van fotonen, werking op hoge temperatuur, verhoogde fotonflux en uitkoppelingsefficiëntie waardoor ze zouden werken, ' zei Olbrich.