Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Macquarie University heeft een nieuwe benadering gedemonstreerd voor het omzetten van gewoon laserlicht in echt kwantumlicht.

Hun aanpak maakt gebruik van nanometer dikke films gemaakt van galliumarsenide, dat is een halfgeleidermateriaal dat veel wordt gebruikt in zonnecellen. Ze klemmen de dunne films tussen twee spiegels om de binnenkomende fotonen te manipuleren.

De fotonen interageren met elektron-gatparen in de halfgeleider, vormen nieuwe chimere deeltjes, polaritonen genaamd, die eigenschappen dragen van zowel de fotonen als de elektron-gatparen. De polaritons vervallen na een paar picoseconden, en de fotonen die ze vrijgeven vertonen verschillende kwantumhandtekeningen.

Het onderzoek van de teams werd van de ene op de andere dag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Hoewel deze kwantumsignaturen momenteel zwak zijn, het werk opent een nieuwe weg voor het op aanvraag produceren van afzonderlijke fotonen.

"Het vermogen om op verzoek enkele fotonen te produceren is enorm belangrijk voor toekomstige toepassingen in kwantumcommunicatie en optische kwantuminformatieverwerking, ", zegt universitair hoofddocent Thomas Volz van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde en de senior auteur van het artikel. "Denk aan onbreekbare encryptie, supersnelle computers, efficiëntere computerchips of zelfs optische transistors met een minimaal stroomverbruik."

Momenteel worden single-photon emitters meestal gemaakt door materiaaltechniek - waarbij het materiaal zelf op zo'n manier wordt geassembleerd dat het 'kwantum'-gedrag is ingebouwd.

Maar deze standaardbenadering wordt op steeds kleinere schaal geconfronteerd met ernstige beperkingen, omdat het produceren van identieke single-photon emitters door pure materiaaltechnologie een enorme uitdaging is.

"Dit betekent dat onze aanpak veel meer vatbaar is voor massale opschaling, zodra we in staat zijn om de sterkte van de kwantumhandtekeningen die we produceren te vergroten. We kunnen misschien identieke kwantumstralers maken van halfgeleiders door foton-nanostructuurtechniek, in plaats van door directe materiaaltechniek, " zegt Dr. Guillermo Munoz Matutano, ook van Macquarie en hoofdauteur van het papier.

"Hoewel toepassingen in de echte wereld nog een behoorlijk eind weg zijn, ons artikel beschrijft een belangrijke mijlpaal waar met name de polaritongemeenschap de afgelopen tien tot vijftien jaar op heeft gewacht. Het regime waarin polaritons zo sterk op elkaar inwerken dat ze kwantumsignaturen op fotonen kunnen afdrukken, is tot nu toe niet toegankelijk geweest en opent een geheel nieuwe speelplaats voor onderzoekers in het veld, " zegt Tomas.