De moderne wereld wordt aangedreven door elektrische schakelingen op een "chip" - de halfgeleiderchip die computers ondersteunt, telefoons, het internet, en andere toepassingen. Anno 2025, mensen zullen naar verwachting 175 zettabytes (175 biljoen gigabytes) aan nieuwe gegevens creëren. Hoe kunnen we de beveiliging van gevoelige gegevens bij zo'n hoog volume waarborgen? En hoe kunnen we grote uitdaging-achtige problemen aanpakken, van privacy en veiligheid tot klimaatverandering, gebruik maken van deze gegevens, vooral gezien de beperkte mogelijkheden van de huidige computers?

Een veelbelovend alternatief zijn opkomende kwantumcommunicatie- en rekentechnologieën. Om dit te laten gebeuren, echter, het vereist de wijdverbreide ontwikkeling van krachtige nieuwe optische kwantumschakelingen; circuits die in staat zijn om de enorme hoeveelheden informatie die we elke dag genereren veilig te verwerken. Onderzoekers van USC's Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science hebben een doorbraak bereikt om deze technologie mogelijk te maken.

Terwijl een traditioneel elektrisch circuit een pad is waarlangs elektronen van een elektrische lading stromen, een kwantum optische schakeling maakt gebruik van lichtbronnen die individuele lichtdeeltjes genereren, of fotonen, op aanvraag, een per keer, fungeren als informatiedragende bits (kwantumbits of qubits). Deze lichtbronnen zijn halfgeleider "quantum dots" van nanoformaat - kleine gefabriceerde verzamelingen van tienduizenden tot een miljoen atomen verpakt in een volume van lineaire grootte van minder dan een duizendste van de dikte van typisch menselijk haar begraven in een matrix van een andere geschikte halfgeleider .

Het is tot nu toe bewezen dat ze de meest veelzijdige on-demand enkelvoudige fotongeneratoren zijn. De optische schakeling vereist dat deze enkele fotonbronnen in een regelmatig patroon op een halfgeleiderchip zijn gerangschikt. Fotonen met bijna identieke golflengte van de bronnen moeten dan in een geleide richting worden vrijgegeven. Hierdoor kunnen ze worden gemanipuleerd om interacties te vormen met andere fotonen en deeltjes om informatie te verzenden en te verwerken.

Tot nu, er was een aanzienlijke belemmering voor de ontwikkeling van dergelijke circuits. Bijvoorbeeld, in de huidige fabricagetechnieken hebben kwantumdots verschillende afmetingen en vormen en worden ze op willekeurige plaatsen op de chip geassembleerd. Het feit dat de stippen verschillende afmetingen en vormen hebben, betekent dat de fotonen die ze vrijgeven geen uniforme golflengten hebben. Dit en het gebrek aan positionele volgorde maken ze ongeschikt voor gebruik bij de ontwikkeling van optische schakelingen.

In recent gepubliceerd werk, onderzoekers van het USC hebben aangetoond dat afzonderlijke fotonen inderdaad op een uniforme manier kunnen worden uitgezonden vanuit kwantumstippen die in een nauwkeurig patroon zijn gerangschikt. Opgemerkt moet worden dat de methode voor het uitlijnen van kwantumdots voor het eerst bij USC werd ontwikkeld door de leidende PI, Professor Anupam Madhukar, en zijn team bijna dertig jaar geleden, ruim vóór de huidige explosieve onderzoeksactiviteit in kwantuminformatie en interesse in on-chip single-photon-bronnen. In dit nieuwste werk het USC-team heeft dergelijke methoden gebruikt om single-quantum dots te maken, met hun opmerkelijke emissie-eigenschappen van één foton. Verwacht wordt dat het vermogen om uniform emitterende kwantumdots nauwkeurig uit te lijnen, de productie van optische circuits mogelijk zal maken, mogelijk leidend tot nieuwe ontwikkelingen in kwantumcomputer- en communicatietechnologieën.

Het werk, gepubliceerd in APL Fotonica , werd geleid door Jiefei Zhang, momenteel een onderzoeksassistent-professor in de Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, met corresponderende auteur Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Hoogleraar Engineering en Hoogleraar Chemische Technologie, Elektrotechniek, Materiaal kunde, en natuurkunde.

"De doorbraak effent de weg naar de volgende stappen die nodig zijn om van laboratoriumdemonstratie van enkelvoudige fotonfysica over te gaan naar fabricage op chipschaal van kwantumfotonische circuits, "Zei Zhang. "Dit heeft potentiële toepassingen in kwantum (veilige) communicatie, in beeld brengen, detectie en kwantumsimulaties en berekeningen."

Madhukar zei dat het essentieel is dat kwantumstippen op een precieze manier worden geordend, zodat fotonen die vrijkomen uit twee of meer stippen kunnen worden gemanipuleerd om met elkaar in contact te komen op de chip. Dit zal de basis vormen voor het bouwen van een eenheid voor kwantum optische schakelingen.

"Als de bron waar de fotonen vandaan komen willekeurig is gelokaliseerd, dit kan niet gebeuren", zei Madhukar.

"De huidige technologie waarmee we online kunnen communiceren, bijvoorbeeld met behulp van een technologisch platform zoals Zoom, is gebaseerd op de silicium geïntegreerde elektronische chip. Als de transistors op die chip niet op exact ontworpen locaties zijn geplaatst, er zou geen geïntegreerd elektrisch circuit zijn, "Zei Madhukar. "Het is dezelfde vereiste voor fotonbronnen zoals kwantumdots om kwantum optische circuits te creëren."

Het onderzoek wordt ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) en het U.S. Army Research Office (ARO).

"Deze vooruitgang is een belangrijk voorbeeld van hoe het oplossen van fundamentele materiaalwetenschappelijke uitdagingen, zoals hoe je kwantumstippen maakt met een precieze positie en compositie, kan grote downstream-implicaties hebben voor technologieën zoals kwantumcomputers, " zei Evan Runnerström, programma manager, Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Dit laat zien hoe ARO's gerichte investeringen in fundamenteel onderzoek de blijvende moderniseringsinspanningen van het leger ondersteunen op gebieden als netwerken."

Om de precieze lay-out van kwantumstippen voor de circuits te maken, het team gebruikte een methode genaamd SESRE (substraat-encoded size-reducing epitaxiy), ontwikkeld in de Madhukar-groep in het begin van de jaren negentig. In het huidige werk het team fabriceerde regelmatige arrays van mesa's van nanometerformaat met een gedefinieerde randoriëntatie, vorm (zijwanden) en diepte op een vlak halfgeleidersubstraat, samengesteld uit galliumarsenide (GaAs). Quantum dots worden vervolgens bovenop de mesa's gemaakt door geschikte atomen toe te voegen met behulp van de volgende techniek.

Eerst, inkomende gallium (Ga) atomen verzamelen zich op de top van de nanoschaal mesa's aangetrokken door oppervlakte-energiekrachten, waar ze GaAs deponeren. Vervolgens, de inkomende flux wordt overgeschakeld naar indium (In) atomen, om op zijn beurt indiumarsenide (InAs) te deponeren, gevolgd door Ga-atomen om GaAs te vormen en zo de gewenste individuele kwantumstippen te creëren die uiteindelijk enkele fotonen vrijgeven. Om nuttig te zijn voor het maken van optische circuits, de ruimte tussen de piramidevormige nano-mesa's moet worden opgevuld met materiaal dat het oppervlak afvlakt. De laatste chip waar ondoorzichtig GaAs wordt afgebeeld als een doorschijnende bovenlaag waaronder de kwantumstippen zich bevinden.

"Dit werk vestigt ook een nieuw wereldrecord van geordende en schaalbare kwantumstippen in termen van de gelijktijdige zuiverheid van enkelvoudige fotonenemissie van meer dan 99,5%, en in termen van de uniformiteit van de golflengte van de uitgezonden fotonen, die zo smal kan zijn als 1,8 nm, wat een factor 20 tot 40 beter is dan typische kwantumdots, ' zei Zhang.

Zhang zei dat met deze uniformiteit, wordt het haalbaar om gevestigde methoden toe te passen, zoals lokale verwarming of elektrische velden om de fotongolflengten van de kwantumdots nauwkeurig af te stemmen, die nodig is voor het maken van de benodigde onderlinge verbindingen tussen verschillende kwantumdots voor circuits.

Dit betekent dat onderzoekers voor het eerst schaalbare kwantumfotonische chips kunnen maken met behulp van gevestigde halfgeleiderverwerkingstechnieken. In aanvulling, de inspanningen van het team zijn nu gericht op het vaststellen hoe identiek de uitgezonden fotonen zijn van dezelfde en/of van verschillende kwantumstippen. De mate van ononderscheidbaarheid staat centraal bij kwantumeffecten van interferentie en verstrengeling, die ten grondslag liggen aan kwantuminformatieverwerking -communicatie, voelen, in beeld brengen, of computergebruik.

Zhang concludeerde:"We hebben nu een aanpak en een materiaalplatform om schaalbare en geordende bronnen te bieden die mogelijk niet te onderscheiden enkelvoudige fotonen genereren voor kwantuminformatietoepassingen. De aanpak is algemeen en kan worden gebruikt voor andere geschikte materiaalcombinaties om kwantumdots te creëren die over een breed scala aan golflengten die de voorkeur hebben voor verschillende toepassingen, bijvoorbeeld op glasvezel gebaseerde optische communicatie of het midden-infraroodregime, geschikt voor omgevingsmonitoring en medische diagnostiek, ' zei Zhang.

Gernot S. Pomrenke, AFOSR Programmamedewerker, Opto-elektronica en fotonica zeiden dat betrouwbare arrays van on-demand enkele fotonbronnen op de chip een grote stap voorwaarts waren.

"Dit indrukwekkende groei- en materiaalwetenschappelijke werk strekt zich uit over drie decennia van toegewijde inspanningen voordat onderzoeksactiviteiten in kwantuminformatie mainstream waren, "Zei Pomrenke. "Initiële AFOSR-financiering en middelen van andere DoD-agentschappen zijn van cruciaal belang geweest bij het realiseren van het uitdagende werk en de visie van Madhukar, zijn studenten, en medewerkers. De kans is groot dat het werk een revolutie teweeg zal brengen in de mogelijkheden van datacenters, medische diagnostiek, defensie en aanverwante technologieën."