Onderzoekers van CRANN en Trinity's School of Physics hebben een innovatief nieuw apparaat gemaakt dat afzonderlijke lichtdeeltjes zal uitzenden, of fotonen, van kwantumstippen die de sleutel vormen tot praktische kwantumcomputers, kwantumcommunicatie, en andere kwantumapparaten.

Het team heeft een aanzienlijke verbetering aangebracht ten opzichte van eerdere ontwerpen in fotonische systemen via hun apparaat, wat zorgt voor controleerbare, directionele emissie van enkele fotonen en die verstrengelde toestanden van paren kwantumstippen produceert.

Qubits en de belofte van quantum computing

De belofte van kwantumcomputers maakt gebruik van de eigenschappen van kwantumbits - "qubits" - om berekeningen uit te voeren. Huidige computers verwerken en slaan informatie op in bits van 0s of 1s, terwijl qubits tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn. Dat betekent dat kwantumcomputers veel grotere rekenkracht zullen hebben dan klassieke computers.

Wetenschappers onderzoeken verschillende opties en ontwerpen om quantum computing een haalbare realiteit te maken. Een voorgesteld idee maakt gebruik van fotonische systemen, gebruikmakend van kwantumeigenschappen van licht op nanoschaal, als qubits. Het Trinity-team onderzoekt een dergelijk systeem in hun onlangs gepubliceerde artikel in het spraakmakende tijdschrift Nano-letters .

Hun systeem maakt gebruik van enkele fotonen van licht die op een gecontroleerde manier in tijd en ruimte worden uitgezonden door kwantumstralers (materialen op nanoschaal die bekend staan ​​als kwantumstippen). Voor toepassingen zoals kwantumcomputers, het is noodzakelijk om emissies van deze stippen te beheersen en kwantumverstrengeling van emissie van paren van deze stippen te produceren.

Kwantumverstrengeling is een fundamentele eigenschap van de kwantummechanica en treedt op wanneer een paar of groep deeltjes kwantummechanisch met elkaar verbonden zijn op een zodanige manier dat de kwantumtoestand van elk deeltje van het paar niet onafhankelijk van de toestand van de andere kan worden beschreven. Eigenlijk, twee verstrengelde kwantumstippen kunnen verstrengelde fotonen uitzenden.

Professor John Donegan, CRANN en Trinity's School of Physics, zei:

"Het apparaat werkt door een metalen punt binnen enkele nanometers van een oppervlak met de kwantumstippen te plaatsen. De punt wordt geëxciteerd door licht en produceert een elektrisch veld van zo'n enorme intensiteit dat het het aantal enkele fotonen dat door de stippen wordt uitgezonden aanzienlijk kan toenemen Dit sterke veld kan ook emissie van paren kwantumstippen koppelen, hun toestanden verstrengelen op een manier die uniek is voor kwantumstralers van licht."

Het andere belangrijke voordeel is het mechanisme waarmee het apparaat werkt ten opzichte van de huidige state-of-art fotonische apparaten voor kwantumcomputertoepassingen.

Professor Ortwin Hess, Hoogleraar Quantum Nanophotonics in Trinity's School of Physics en CRANN, toegevoegd:

"Door de metalen punt te scannen over het oppervlak met de kwantumstippen, we kunnen de enkele fotonenemissie naar behoefte genereren. Zo'n apparaat is veel eenvoudiger dan de huidige systemen die proberen een metalen punt te fixeren, of een holte, dicht bij een kwantumpunt. We verwachten nu dat dit apparaat en de werking ervan een opvallend effect zal hebben op het onderzoek naar kwantumstralers voor kwantumtechnologieën."

De samenwerking tussen professoren Hess en Donegan begon toen professor Hess aan het Imperial College London was en zal worden voortgezet met zijn recente benoeming bij Trinity via het SFI Research Professorship Program.

Het team is van plan om apparaten te fabriceren die gecontroleerde enkelvoudige fotonenemissie zullen demonstreren en een sterke bijdrage leveren aan de onderzoeksinspanningen op het gebied van kwantumtechnologieën in Ierland.