Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Michigan heeft een nieuwe weg ontdekt naar het verzenden en ontvangen van informatie met enkele fotonen van licht.

Hun experiment toonde de mogelijkheid aan om een ​​effect dat bekend staat als niet-lineariteit te gebruiken om extreem zwakke lichtsignalen te wijzigen en te detecteren. profiteren van duidelijke veranderingen in een kwantumsysteem om de volgende generatie computergebruik te bevorderen.

Vandaag, aangezien op silicium elektronica gebaseerde informatietechnologie steeds meer wordt gesmoord door verwarming en energieverbruik, niet-lineaire optica wordt intensief onderzocht als mogelijke oplossing. De kwantum eierdoos vangt fotonen op en laat ze vrij, ondersteuning van 'opgewonden' kwantumtoestanden terwijl het de extra energie bezit. Naarmate de energie in het systeem stijgt, er is een grotere energiesprong nodig om in die volgende opgewonden toestand te komen - dat is de niet-lineariteit.

"Onderzoekers hebben zich afgevraagd of detecteerbare niet-lineaire effecten kunnen worden volgehouden bij extreem lage vermogensniveaus - tot aan individuele fotonen. Dit zou ons bij de fundamentele ondergrens van het energieverbruik bij informatieverwerking brengen, " zei Hui Deng, hoogleraar natuurkunde en senior auteur van de paper in Natuur .

"We hebben een nieuw type hybride staat gedemonstreerd om ons naar dat regime te brengen, licht en materie met elkaar verbinden via een reeks kwantumstippen, " voegde ze eraan toe.

De natuurkundigen en ingenieurs gebruikten een nieuw soort halfgeleider om kwantumstippen te maken die als een eierdoos waren gerangschikt. Quantum dots zijn in wezen kleine structuren die individuele kwantumdeeltjes kunnen isoleren en opsluiten. zoals elektronen en andere, vreemdere dingen. Deze stippen zijn de vakjes in de eierdoos. In dit geval, ze beperken excitonen, quasi-deeltjes bestaande uit een elektron en een 'gat'. Er ontstaat een gat wanneer een elektron in een halfgeleider in een hogere energieband wordt getrapt, een positieve lading achterlatend op zijn gebruikelijke plek. Als het gat het elektron in zijn parallelle energieband overschaduwt, de twee worden beschouwd als een enkele entiteit, een exciton.

In conventionele apparaten - met weinig tot geen niet-lineariteit - zwerven de excitonen vrij rond en ontmoeten elkaar nauwelijks. Deze materialen kunnen veel identieke excitonen tegelijk bevatten zonder dat onderzoekers iets aan de materiaaleigenschappen merken.

Echter, als het exciton beperkt is tot een kwantumpunt, het wordt onmogelijk om een ​​tweede identiek exciton in dezelfde zak te stoppen. Je hebt een exciton met een hogere energie nodig als je er nog een wilt krijgen, wat betekent dat je een foton met een hogere energie nodig hebt om het te maken. Dit staat bekend als kwantumblokkade, en het is de oorzaak van de niet-lineariteit.

Maar typische kwantumstippen zijn maar een paar atomen in doorsnede - ze zijn niet op een bruikbare schaal. Als oplossing, Deng's team creëerde een reeks kwantumstippen die in één keer bijdragen aan de niet-lineariteit.

Het team produceerde dit energielandschap van eierdozen met twee vlokken halfgeleider, die als tweedimensionale materialen worden beschouwd omdat ze zijn gemaakt van een enkele moleculaire laag, slechts een paar atomen dik. 2D-halfgeleiders hebben kwantumeigenschappen die heel anders zijn dan grotere brokken. Eén vlok was wolfraamdisulfide en de andere was molybdeendiselenide. Gelegd met een hoek van ongeveer 56,5 graden tussen hun atomaire roosters, de twee met elkaar verweven elektronische structuren creëerden een groter elektronisch rooster, met zakken van ongeveer 10 atomen breed.

Om de reeks kwantumstippen in de 2D-halfgeleider te kunnen besturen als een groep met licht, het team bouwde een resonator door een spiegel aan de onderkant te maken, de halfgeleider erop leggen, en vervolgens een tweede spiegel op de halfgeleider te plaatsen.

"Je moet de dikte heel strak regelen, zodat de halfgeleider het maximum van het optische veld heeft, " zei Zhang Long, een postdoctoraal onderzoeker in het Deng-lab en eerste auteur op het papier.

Met de kwantum eierdoos ingebed in de gespiegelde "holte" waardoor rood laserlicht kon resoneren, het team observeerde de vorming van een andere kwantumtoestand, een polariton genoemd. Polaritonen zijn een hybride van de excitonen en het licht in de holte. Dit bevestigde dat alle kwantumstippen samen met licht interageren. In dit systeem, Deng's team toonde aan dat het plaatsen van een paar excitonen in de doos leidde tot een meetbare verandering van de energie van de polariton - wat niet-lineariteit aantoont en aantoont dat kwantumblokkade plaatsvond.

"Ingenieurs kunnen die niet-lineariteit gebruiken om energie te onderscheiden die in het systeem wordt afgezet, mogelijk tot die van een enkel foton, wat het systeem veelbelovend maakt als een ultra-low energy switch, ' zei Deng.

Switches behoren tot de apparaten die nodig zijn om ultralow power computing te bereiken, en ze kunnen worden ingebouwd in complexere poorten.

"Professor Deng's onderzoek beschrijft hoe polariton-niet-lineariteiten kunnen worden aangepast om minder energie te verbruiken, " zei Michael Gerhold, programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Controle van polaritonen is gericht op toekomstige geïntegreerde fotonica die wordt gebruikt voor ultra-low energy computing en informatieverwerking die kan worden gebruikt voor neuromorfe verwerking voor vision-systemen, natuurlijke taalverwerking of autonome robots."

De kwantumblokkade betekent ook dat een soortgelijk systeem mogelijk kan worden gebruikt voor qubits, de bouwstenen voor de verwerking van kwantuminformatie. Een voorwaarts pad is uitzoeken hoe elke kwantumdot in de array als een individuele qubit moet worden aangesproken. Een andere manier zou zijn om polaritonblokkade te bereiken, vergelijkbaar met de excitonblokkade die hier te zien is. In deze versie, de reeks van excitonen, resoneren in de tijd met de lichtgolf, zou de qubit zijn.

Op deze manieren gebruikt, de nieuwe 2D-halfgeleiders hebben potentieel om kwantumapparaten op kamertemperatuur te brengen, in plaats van de extreme kou van vloeibare stikstof of vloeibaar helium.

"We naderen het einde van de wet van Moore, " zei Steve Forrest, de Peter A. Franken Distinguished University Professor of Electrical Engineering en co-auteur van het artikel, verwijzend naar de trend van de dichtheid van transistors op een chip die elke twee jaar verdubbelt. "Tweedimensionale materialen hebben veel opwindende elektronische en optische eigenschappen die, in feite, leid ons naar dat land voorbij silicium."