De kleinste hoeveelheid licht die je kunt hebben is één foton, zo zwak dat het vrijwel onzichtbaar is voor mensen. Hoewel onmerkbaar, deze kleine stroomstootjes zijn nuttig om kwantuminformatie rond te dragen. Ideaal, elke kwantumkoerier zou hetzelfde zijn, maar er is geen eenvoudige manier om een ​​stroom identieke fotonen te produceren. Dit is vooral een uitdaging wanneer individuele fotonen afkomstig zijn van gefabriceerde chips.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI) hebben een nieuwe aanpak gedemonstreerd waarmee verschillende apparaten herhaaldelijk bijna identieke enkele fotonen kunnen uitzenden. Het team, geleid door JQI Fellow Mohammad Hafezi, een siliciumchip gemaakt die het licht langs de rand van het apparaat geleidt, waar het inherent is beschermd tegen storingen. Eerder, Hafezi en collega's toonden aan dat dit ontwerp de kans op optische signaalverslechtering kan verminderen. In een paper online gepubliceerd op 10 september in Natuur , het team legt uit dat dezelfde fysica die het licht langs de rand van de chip beschermt, ook zorgt voor een betrouwbare fotonenproductie.

Enkele fotonen, die een voorbeeld zijn van kwantumlicht, zijn meer dan alleen echt gedimd licht. Dit onderscheid heeft veel te maken met waar het licht vandaan komt. "Vrijwel al het licht dat we in ons dagelijks leven tegenkomen, zit vol met fotonen, " zegt Elizabeth Goldschmidt, een onderzoeker bij het US Army Research Laboratory en co-auteur van de studie. "Maar in tegenstelling tot een gloeilamp, er zijn enkele bronnen die daadwerkelijk licht uitstralen, één foton tegelijk, en dit kan alleen worden beschreven door de kwantumfysica, ", voegt Goldschmidt toe.

Veel onderzoekers werken aan het bouwen van betrouwbare kwantumlichtstralers, zodat ze de kwantumeigenschappen van afzonderlijke fotonen kunnen isoleren en controleren. Goldschmidt legt uit dat dergelijke lichtbronnen waarschijnlijk belangrijk zullen zijn voor toekomstige kwantuminformatie-apparaten en voor een beter begrip van de mysteries van de kwantumfysica. "Moderne communicatie is sterk afhankelijk van niet-kwantumlicht, "zegt Goldschmidt. "Evenzo, velen van ons geloven dat enkele fotonen nodig zullen zijn voor elke vorm van kwantumcommunicatietoepassing die er is."

Wetenschappers kunnen kwantumlicht genereren met behulp van een natuurlijk proces van kleurverandering dat optreedt wanneer een lichtstraal door bepaalde materialen gaat. In dit experiment gebruikte het team silicium, een veel voorkomende industriële keuze voor het leiden van licht, om infrarood laserlicht om te zetten in paren van verschillend gekleurde enkelvoudige fotonen.

Ze injecteerden licht in een chip met daarin een reeks minuscule siliconenlusjes. Onder de microscoop, de lussen zien eruit als aaneengeschakelde glazige racebanen. Het licht circuleert duizenden keren rond elke lus voordat het naar een naburige lus gaat. Uitgestrekt, het pad van het licht zou enkele centimeters lang zijn, maar de lussen maken het mogelijk om de reis in te passen in een ruimte die ongeveer 500 keer kleiner is. De relatief lange reis is nodig om veel paren enkele fotonen uit de siliciumchip te krijgen.

Dergelijke lusarrays worden routinematig gebruikt als enkele fotonbronnen, maar kleine verschillen tussen chips zorgen ervoor dat de fotonkleuren van apparaat tot apparaat verschillen. Zelfs binnen een enkel apparaat, willekeurige defecten in het materiaal kunnen de gemiddelde fotonkwaliteit verminderen. Dit is een probleem voor toepassingen van kwantuminformatie, waarbij onderzoekers de fotonen zo dicht mogelijk bij elkaar willen hebben.

Het team heeft dit probleem omzeild door de lussen zo te plaatsen dat het licht altijd ongestoord langs de rand van de chip kan reizen. zelfs als er fabricagefouten aanwezig zijn. Dit ontwerp beschermt niet alleen het licht tegen verstoringen, het beperkt ook de vorming van enkele fotonen binnen die randkanalen. De luslay-out dwingt in wezen elk fotonpaar om bijna identiek te zijn aan het volgende, ongeacht microscopisch kleine verschillen tussen de ringen. Het centrale deel van de chip bevat geen beveiligde routes, en dus worden alle fotonen die in die gebieden worden gemaakt, beïnvloed door materiaaldefecten.

De onderzoekers vergeleken hun chips met chips zonder beschermde routes. Ze verzamelden fotonenparen van de verschillende chips, het tellen van het uitgezonden aantal en het noteren van hun kleur. Ze merkten op dat hun kwantumlichtbron betrouwbaar hoge kwaliteit produceerde, eenkleurige fotonen keer op keer, terwijl de output van de conventionele chip onvoorspelbaarder was.

"In eerste instantie dachten we dat we voorzichtiger moesten zijn met het ontwerp, en dat de fotonen gevoeliger zouden zijn voor het fabricageproces van onze chip, " zegt Sunil Mittal, een JQI-postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de nieuwe studie. "Maar, verbazingwekkend, fotonen die in deze afgeschermde randkanalen worden gegenereerd, zijn altijd bijna identiek, ongeacht hoe slecht de chips zijn."

Mittal voegt eraan toe dat dit apparaat één bijkomend voordeel heeft ten opzichte van andere enkelvoudige fotonbronnen. "Onze chip werkt bij kamertemperatuur. Ik hoef hem niet af te koelen tot cryogene temperaturen zoals andere kwantumlichtbronnen, waardoor het een relatief zeer eenvoudige opstelling is."

Het team zegt dat deze bevinding een nieuwe weg van onderzoek zou kunnen openen, die kwantumlicht verenigt met fotonische apparaten met ingebouwde beschermende functies. "Natuurkundigen hebben zich pas onlangs gerealiseerd dat afgeschermde paden de manier waarop fotonen omgaan met materie fundamenteel veranderen, ", zegt Mittal. "Dit kan implicaties hebben voor een verscheidenheid aan velden waar interacties tussen licht en materie een rol spelen, inclusief kwantuminformatiewetenschap en opto-elektronische technologie."