Een team van onderzoekers, waaronder de faculteit Technische Natuurkunde van de U of A, heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het detecteren van afzonderlijke fotonen, of lichte deeltjes, met behulp van kwantumdots.

Detectie van enkelvoudige fotonen is een sleutelelement om het gebruik van kwantuminformatie mogelijk te maken, een methode om informatie over te dragen die veel sneller en veiliger is dan de huidige methodes. Deze technologie heeft ook andere toepassingen, inclusief biologische en medische beeldvorming, spectroscopie, en astronomische waarneming.

Shui-Qing "Fisher" Yu, universitair hoofddocent elektrotechniek; Greg Salamo, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde; en Yang Zhang, destijds een postdoctoraal onderzoeker in de elektrotechniek, werkte met collega's van Dartmouth en de Universiteit van Wisconsin aan dit onderzoek, die onlangs werd gepubliceerd door ACS Fotonica .

Kwantuminformatie gebruikt verschillende kwantumtoestanden van deeltjes, zoals polarisatie of fase, informatie te coderen. Omdat kwantuminformatie niet beperkt is tot de enen en nullen die worden gebruikt om digitale informatie te coderen, deze technologie kan een grote hoeveelheid informatie zeer veilig overdragen.

Omdat kwantuminformatie kan worden verzonden met behulp van een oneindige verscheidenheid aan kwantumtoestanden, de afzender en ontvanger moeten het beiden eens zijn over de staat die ze gebruiken om de gegevens te coderen en te interpreteren. Een buitenstaander die het signaal onderschept, zou het zonder deze kennis nauwelijks kunnen lezen.

Een foton is een kwantum van licht. Wanneer een foton een detector binnengaat in een kwantuminformatiesysteem, zijn energie wordt overgedragen aan een elektron en dit resulteert in een stroom of een spanning. Dit effect is zo klein, Hoewel, dat het moeilijk te detecteren is. Andere ontwerpen voor fotondetectoren lossen dit probleem op door een apparaat genaamd lawinefotodiode te gebruiken om de stroom of spanning te versterken, maar deze benadering heeft de neiging om vertragingen toe te voegen aan de detectie en verhoogt het achtergrondgeluid.

De nieuwe benadering die door deze onderzoekers is gemaakt en gemodelleerd, maakt gebruik van een kwantumpunt, dat een halfgeleiderdeeltje op nanoschaal is, om losse fotonen te detecteren. In vergelijking met andere methoden, de verandering in spanning veroorzaakt door een enkel foton in deze detector is groot, met een laag achtergrondgeluidsniveau.

Yu vergeleek dit met het toevoegen van een druppel water aan een bakje. "Als je één druppel water in een grote tank doet, die verandering is moeilijk te zien, ' zei hij. 'Maar als je een druppel water in een heel klein bakje doet, je kunt de verandering gemakkelijker zien." In het ontwerp van de onderzoekers het elektron bevindt zich in een kleine container - de kwantumstip.

De onderzoekers hebben computermodellen gebruikt om aan te tonen dat hun ontwerp afzonderlijke fotonen nauwkeuriger kan detecteren dan bestaande technologieën.