Quantumtechnologie is veelbelovend:over een paar jaar Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze een revolutie teweeg zullen brengen in het doorzoeken van databases, AI-systemen, en computationele simulaties. Vandaag al, kwantumcryptografie kan absoluut veilige gegevensoverdracht garanderen, zij het met beperkingen. De grootst mogelijke compatibiliteit met onze huidige op silicium gebaseerde elektronica zal een belangrijk voordeel zijn. En dat is precies waar natuurkundigen van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en TU Dresden opmerkelijke vooruitgang hebben geboekt:het team heeft een op silicium gebaseerde lichtbron ontworpen om afzonderlijke fotonen te genereren die zich goed voortplanten in glasvezels.

Quantumtechnologie is gebaseerd op het vermogen om het gedrag van kwantumdeeltjes zo nauwkeurig mogelijk te controleren, bijvoorbeeld door individuele atomen op te sluiten in magnetische vallen of door individuele lichtdeeltjes, fotonen genaamd, door glasvezels te sturen. Dit laatste is de basis van kwantumcryptografie, een communicatiemethode die in principe, aftapbestendig:elke potentiële datadief die de fotonen onderschept, vernietigt onvermijdelijk hun kwantumeigenschappen. De afzenders en ontvangers van het bericht zullen dat merken en kunnen de gecompromitteerde verzending op tijd stoppen.

Hiervoor zijn lichtbronnen nodig die enkelvoudige fotonen afgeven. Dergelijke systemen bestaan ​​al, vooral gebaseerd op diamanten, maar ze hebben één fout:"Deze diamantbronnen kunnen alleen fotonen genereren bij frequenties die niet geschikt zijn voor glasvezeltransmissie, ", legt HZDR-natuurkundige Dr. Georgy Astakhov uit. "Dat is een belangrijke beperking voor praktisch gebruik." Dus besloten Astakhov en zijn team een ​​ander materiaal te gebruiken:het beproefde elektronische basismateriaal silicium.

100, 000 enkele fotonen per seconde

Om het materiaal de infraroodfotonen te laten genereren die nodig zijn voor glasvezelcommunicatie, de experts onderwierpen het aan een speciale behandeling, selectief koolstof in het silicium schieten met een versneller in het HZDR Ion Beam Center. Hierdoor ontstonden zogenaamde G-centra in het materiaal:twee aangrenzende koolstofatomen gekoppeld aan een siliciumatoom die een soort kunstmatig atoom vormen.

Wanneer bestraald met rood laserlicht, dit kunstmatige atoom zendt de gewenste infraroodfotonen uit met een golflengte van 1,3 micrometer, een frequentie die uitstekend geschikt is voor glasvezeltransmissie. "Ons prototype kan 100, 000 enkele fotonen per seconde, ' meldt Astakhov. 'En het is stabiel. Zelfs na enkele dagen continu gebruik, we hebben geen verslechtering waargenomen." het systeem werkt alleen in extreem koude omstandigheden - de natuurkundigen gebruiken vloeibaar helium om het af te koelen tot een temperatuur van min 268 graden Celsius.

"We konden voor het eerst aantonen dat een op silicium gebaseerde enkelvoudige fotonbron mogelijk is, Astakhov's collega Dr. Yonder Berencén is verheugd te melden. "Dit maakt het in principe mogelijk om dergelijke bronnen met andere optische componenten op een chip te integreren." het zou interessant zijn om de nieuwe lichtbron te koppelen aan een resonator om het probleem op te lossen dat infraroodfotonen grotendeels willekeurig uit de bron tevoorschijn komen. Voor gebruik in kwantumcommunicatie, echter, het zou nodig zijn om fotonen op aanvraag te genereren.

Lichtbron op een chip

Deze resonator kan worden afgestemd om precies de golflengte van de lichtbron te raken, die het mogelijk zou maken om het aantal gegenereerde fotonen te verhogen tot het punt dat ze op elk moment beschikbaar zijn. "Het is al bewezen dat dergelijke resonatoren in silicium kunnen worden gebouwd, " meldt Berencén. "De ontbrekende schakel was een op silicium gebaseerde bron voor afzonderlijke fotonen. En dat is precies wat we nu hebben kunnen creëren."

Maar voordat ze praktische toepassingen kunnen overwegen, de HZDR-onderzoekers moeten nog een aantal problemen oplossen, zoals een meer systematische productie van de nieuwe single-photon-telecombronnen. "We zullen proberen de koolstof met grotere precisie in silicium te implanteren, " legt Georgy Astakhov uit. "HZDR biedt met zijn Ion Beam Center een ideale infrastructuur om dit soort ideeën te realiseren."