Over de hele wereld werken specialisten aan de implementatie van kwantuminformatietechnologieën. Een belangrijk pad is licht:vooruitkijkend kunnen enkelvoudige lichtpakketten, ook wel lichtquanta of fotonen genoemd, gegevens verzenden die zowel gecodeerd als effectief tikbestendig zijn. Hiervoor zijn nieuwe fotonenbronnen nodig die op gecontroleerde wijze – en on demand – enkele lichtquanta uitstralen. Pas onlangs is ontdekt dat silicium bronnen van enkelvoudige fotonen kan herbergen met eigenschappen die geschikt zijn voor kwantumcommunicatie. Tot nu toe heeft echter niemand geweten hoe de bronnen in moderne fotonische circuits kunnen worden geïntegreerd.

Voor het eerst heeft een team onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nu een geschikte productietechnologie gepresenteerd met behulp van silicium nanopilaren:een chemische etsmethode gevolgd door ionenbombardement. Hun onderzoek is gepubliceerd in het Journal of Applied Physics .

"Silicium- en enkelfotonbronnen op het gebied van telecommunicatie zijn lange tijd de ontbrekende schakel geweest bij het versnellen van de ontwikkeling van kwantumcommunicatie door optische vezels. Nu hebben we daarvoor de nodige voorwaarden gecreëerd", legt Dr. Yonder Berencén van HZDR's Institute of Ion uit. Beam Physics and Materials Research die de huidige studie leidde. Hoewel enkelfotonbronnen zijn vervaardigd in materialen zoals diamanten, genereren alleen op silicium gebaseerde bronnen lichtdeeltjes met de juiste golflengte om zich te verspreiden in optische vezels - een aanzienlijk voordeel voor praktische doeleinden.

De onderzoekers bereikten deze technische doorbraak door te kiezen voor een natte etstechniek - wat bekend staat als MacEtch (metal-assisted chemical etching) - in plaats van de conventionele droge etstechnieken voor het verwerken van het silicium op een chip. Deze standaardmethoden, waarmee fotonische structuren van silicium kunnen worden gemaakt, maken gebruik van zeer reactieve ionen. Deze ionen veroorzaken lichtemitterende defecten die worden veroorzaakt door de stralingsschade in het silicium. Ze zijn echter willekeurig verdeeld en bedekken het gewenste optische signaal met ruis. Metaal-geassisteerd chemisch etsen daarentegen veroorzaakt deze defecten niet - in plaats daarvan wordt het materiaal chemisch weggeëtst onder een soort metalen masker.

Het doel:enkele fotonbronnen die compatibel zijn met het glasvezelnetwerk

Met behulp van de MacEtch-methode fabriceerden onderzoekers in eerste instantie de eenvoudigste vorm van een potentiële lichtgolfgeleidende structuur:silicium nanopilaren op een chip. Vervolgens bombardeerden ze de afgewerkte nanopilaren met koolstofionen, net zoals ze zouden doen met een massief siliciumblok, en genereerden zo fotonbronnen ingebed in de pilaren. Door gebruik te maken van de nieuwe etstechniek kunnen de grootte, afstand en oppervlaktedichtheid van de nanopilaren nauwkeurig worden geregeld en aangepast om compatibel te zijn met moderne fotonische circuits. Per vierkante millimeter chip geleiden en bundelen duizenden silicium nanopilaren het licht van de bronnen door het verticaal door de pilaren te leiden.

De onderzoekers varieerden de diameter van de pilaren omdat "we hadden gehoopt dat dit zou betekenen dat we een enkel defect zouden kunnen creëren op dunne pilaren en eigenlijk een enkele fotonenbron per pilaar zouden kunnen genereren", legt Berencén uit. "Het werkte de eerste keer niet perfect. Ter vergelijking:zelfs voor de dunste pilaren was de dosis van ons koolstofbombardement te hoog. Maar nu is het slechts een korte stap naar enkele fotonbronnen."

Dit is een stap waar het team al intensief mee bezig is, want de nieuwe techniek heeft ook een soort race ontketend voor toekomstige toepassingen.

"Mijn droom is om alle elementaire bouwstenen, van een enkele fotonenbron via fotonische elementen tot een enkele fotondetector, op één enkele chip te integreren en vervolgens heel veel chips via commerciële optische vezels te verbinden om een ​​modulair kwantumnetwerk te vormen", zegt Berencen. + Verder verkennen

Enkele fotonen van een siliciumchip