Onderzoekers van de Universiteit van Basel en Ruhr-Universität Bochum hebben kwantumstippen gerealiseerd - kleine halfgeleider nanostructuren - die licht uitstralen dichtbij het rode deel van het spectrum met ultralage achtergrondruis. Quantum dots zouden ooit de basis kunnen vormen voor kwantumcomputers; de lichte deeltjes, ook wel fotonen genoemd, zouden dan als informatiedragers dienen. Quantum dots met voldoende optische eigenschappen waren voorheen alleen verkregen voor fotonen met golflengten in het nabij-infrarode bereik. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers zijn erin geslaagd om geluidsarme toestanden te creëren bij golflengten tussen 700 en 800 nanometer, d.w.z. dicht bij het zichtbare rode bereik. Dit zou, bijvoorbeeld, koppeling met andere fotonische systemen mogelijk maken. Ze schetsen hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie vanaf 21 september 2020.

Verschillende golflengten vereist

Systemen voor kwantumcommunicatie hebben fotonen van verschillende golflengten nodig. Voor communicatie over lange afstanden, de belangrijkste vereiste is om signaalverliezen te voorkomen; golflengten rond 1, Hiervoor kan 550 nanometer worden gebruikt. Voor korte afstanden, anderzijds, er zijn fotonen nodig die zo goed mogelijk kunnen worden gedetecteerd en verbonden met andere kwantumgeheugensystemen. Dit zou mogelijk zijn met rood licht, of beter gezegd met golflengten tussen 700 en 800 nanometer. Momenteel beschikbare fotondetectoren hebben hun hoogste gevoeligheid in dit bereik. Bovendien, lichte deeltjes van deze frequentie zouden kunnen worden gekoppeld aan een rubidium-opslagsysteem.

Om informatie in een kwantumsysteem nauwkeurig te coderen, gemanipuleerd en uitgelezen, stabiele optische emissie is cruciaal. Dit is precies wat de onderzoekers nu hebben bereikt voor fotonen in de buurt van het zichtbare rode bereik.

Lager aluminiumgehalte is de sleutel tot succes

Het project was een samenwerking tussen een team van jonge natuurkundigen onder leiding van professor Richard Warburton van de in Basel gevestigde Nano-Photonics Group en professor Andreas Wieck, Dr. Arne Ludwig, Dr. Julian Ritzmann en collega's van de leerstoel Toegepaste Vaste-stoffysica in Bochum. De onderzoekers zetten de quantum dots om in een halfgeleider gemaakt van galliumarsenide. Omdat het systeem moet worden gekoeld met vloeibaar helium, het werkt bij lage temperaturen van min 269 graden Celsius.

Een van de grootste uitdagingen was het ontwerpen van een diode met galliumarsenide-kwantumdots die bij deze lage temperaturen op betrouwbare wijze fotonen uitzendt. Het team uit Bochum produceerde aluminium-gallium-arsenidelagen met een lagere aluminiumconcentratie dan gebruikelijk, die de geleidbaarheid en stabiliteit van de lagen verbeterde. Het team Nano-Photonics gebruikte dit materiaal vervolgens voor de experimenten in Bazel.

Gekoppeld systeem in uitvoering

In de volgende stap, de onderzoekers zijn van plan om de nieuw ontwikkelde kwantumstippen te combineren met een rubidium kwantumgeheugenapparaat. Dergelijke hybride structuren zouden een eerste stap zijn naar praktische toepassingen in toekomstige kwantumcommunicatienetwerken.