Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het genereren van enkele fotonen, door enkele elektronen in een speciaal ontworpen lichtgevende diode (LED) te verplaatsen. Deze techniek, gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van de opkomende gebieden van kwantumcommunicatie en kwantumberekening.

Een enkel foton, het elementaire deeltje licht, kan een kwantumbit informatie over honderden kilometers vervoeren. Daarom, een bron die enkelvoudige fotonen kan genereren is een belangrijke bouwsteen in veel kwantumtechnologieën. Tot nu toe, single-photon bronnen zijn gemaakt in onderzoekslaboratoria van zelf-geassembleerde quantum dots in halfgeleiders, of structurele defecten in diamanten. De vorming van deze stippen en defecten is een willekeurig proces, het is dus moeilijk om de locatie en de fotonenergie (of golflengte) van deze enkelvoudige fotonbronnen te voorspellen. Deze willekeur kan een uitdaging vormen bij het integreren van een bron in een groot kwantumnetwerk.

In dit artikel, laten de onderzoekers zien dat ze een enkel foton kunnen genereren in een ander, gecontroleerd, manier, zonder de noodzaak van een kwantumpunt of een defect, door slechts één elektron tegelijk te verplaatsen om te recombineren met een 'gat' (een ontbrekend elektron in een gevulde 'band' van elektronen).

'Stel je voor dat je een digitaal bericht probeert te verzenden door op de volgende manier een stroom blauwe of rode ballen over een muur te schieten. Een transportband met inkepingen ter grootte van een bal sleept een reeks witte ballen een helling op en laat de ballen aan het einde van een klif vallen. Elke bal neemt snelheid op als hij valt, wordt vervolgens blauw of rood gespoten (afhankelijk van het bericht) terwijl het naar de zijkant en over de muur stuitert', legt Dr. Tzu-Kan Hsiao uit, die het experiment deed tijdens zijn Ph.D. te Cambridge.

`De inkepingen in de transportband kunnen elk maar één bal dragen.

Er wordt maar één bal tegelijk gespoten, en er is geen kans dat sommige ballen worden onderschept door een afluisteraar zonder dat de persoon aan de ontvangende kant een ontbrekende bal opmerkt, terwijl als er soms twee of meer ballen tegelijk komen, de afluisteraar kan vreemde ballen vangen en de ontvanger is niet wijzer. Op die manier, een deel van het bericht kan onbedoeld worden onthuld.'

'Bij de proef we hebben een apparaat gemaakt in de buurt van het oppervlak van galliumarsenide (GaAs) door alleen industriecompatibele fabricageprocessen te gebruiken. Dit apparaat bestaat uit een gebied van elektronen dichtbij een gebied van gaten, en een smal kanaal ertussen', zegt professor Christopher Ford, teamleider van het onderzoek.

'Om slechts één elektron tegelijk te transporteren, we lanceren een geluidsgolf langs het oppervlak. In GaAs creëert zo'n "akoestische oppervlaktegolf" ook een begeleidende elektrische potentiaalgolf, waarin elk potentieel minimum slechts één elektron draagt. De potentiële golf, als een transportband, brengt individuele elektronen na elkaar naar het gebied van gaten. Een reeks enkele fotonen wordt gegenereerd wanneer elk elektron snel recombineert met een gat voordat het volgende elektron arriveert.

Elk afzonderlijk foton kan een van de twee polarisaties krijgen om een ​​bericht te dragen, zodat een afluisteraar het bericht niet kan onderscheppen zonder te worden gedetecteerd.

Behalve dat het een nieuwe single-photon source is, belangrijker, met deze nieuwe techniek is het wellicht mogelijk om de toestand van een elektronenspin om te zetten in de polarisatietoestand van een foton. Door op halfgeleiders gebaseerde kwantumcomputers te overbruggen met behulp van enkele fotonen als 'vliegende' qubits, het ambitieuze doel om grootschalige gedistribueerde kwantumcomputernetwerken te bouwen, kan worden bereikt.