Om dichter bij de kwantumtechnologie te komen, moeten we niet-klassieke lichtbronnen ontwikkelen die één enkel foton tegelijk kunnen uitzenden en dit op verzoek doen. Wetenschappers van EPFL hebben nu een van deze "single photon emitters" ontworpen die bij kamertemperatuur kan werken en is gebaseerd op kwantumdots die zijn gekweekt op kosteneffectieve siliciumsubstraten.

Het ontwikkelen van niet-klassieke lichtbronnen die on-demand precies één foton tegelijk kunnen uitstralen, is een van de belangrijkste vereisten van kwantumtechnologieën. Maar hoewel de eerste demonstratie van zo'n 'single photon emitter' of SPE dateert uit de jaren 70, staat hun lage betrouwbaarheid en efficiëntie elk zinvol praktisch gebruik in de weg.

Conventionele lichtbronnen zoals gloeilampen of LED's zenden bundels fotonen tegelijk uit. Met andere woorden, hun kans om één enkel foton tegelijk uit te zenden is erg laag. Laserbronnen kunnen stromen van afzonderlijke fotonen uitzenden, maar niet on-demand, wat betekent dat er soms helemaal geen fotonen worden uitgezonden wanneer we dat willen.

Het belangrijkste voordeel van SPE's is dus dat ze beide kunnen doen:één enkel foton uitzenden en dat op aanvraag doen, of, in meer technische termen, hun zuiverheid van één foton, die ze in een ultrasnelle tijdsbestek kunnen handhaven. Dus om een ​​lichtbron als een SPE te kwalificeren, moet deze een zuiverheid van één foton hebben van meer dan 50%; natuurlijk, hoe dichter bij 100%, hoe dichter we bij een ideale SPE zullen zijn.

Onderzoekers van EPFL, onder leiding van professor Nicolas Grandjean, hebben nu "heldere en pure" SPE's ontwikkeld op basis van halfgeleiderquantumdots met een brede bandgap die zijn gegroeid op kosteneffectieve siliciumsubstraten.

De quantum dots zijn gemaakt van galliumnitride en aluminiumnitride (GaN/AlN) en hebben een zuiverheid van één foton van 95% bij cryogene temperaturen, terwijl ze ook een uitstekende veerkracht behouden bij hogere temperaturen, met een zuiverheid van 83% bij kamertemperatuur.

De SPE toont ook fotonenemissiesnelheden tot 1 MHz met behoud van een zuiverheid van één foton van meer dan 50%. "Een dergelijke helderheid tot kamertemperatuur is mogelijk vanwege de unieke elektronische eigenschappen van de GaN/AlN-kwantumstippen, die de zuiverheid van één foton behouden vanwege de beperkte spectrale overlap met concurrerende naburige elektronische excitatie", zegt Stachurski, de Ph.D. . student die deze kwantumsystemen heeft onderzocht.

"Een zeer aantrekkelijke eigenschap van GaN/AlN-kwantumdots is dat ze tot de III-nitride-halfgeleiderfamilie behoren, namelijk die achter de solid-state verlichtingsrevolutie (blauwe en witte LED's) waarvan het belang werd erkend door de Nobelprijs voor natuurkunde in 2014 ’, stellen de onderzoekers. "Het is tegenwoordig de tweede halfgeleiderfamilie in termen van consumentenmarkt, direct na silicium die de micro-elektronische industrie domineert. Als zodanig profiteren III-nitrides van een solide en volwassen technologisch platform, waardoor ze van groot potentieel belang zijn voor de ontwikkeling van kwantumtoepassingen ."

Een belangrijke toekomstige stap zal zijn om te kijken of dit platform één foton kan uitzenden en slechts één per laserpuls, wat een essentiële voorwaarde is om de efficiëntie te bepalen.

"Omdat onze elektronische excitaties een levensduur van slechts 2 tot 3 miljardste van een seconde bij kamertemperatuur vertonen, zouden enkele fotonsnelheden van enkele tientallen MHz binnen bereik kunnen zijn", stellen de auteurs. "Gecombineerd met resonante laserexcitatie, waarvan bekend is dat het de zuiverheid van één foton aanzienlijk verbetert, kan ons quantum-dot-platform interessant zijn voor het implementeren van kwantumsleuteldistributie op kamertemperatuur op basis van een echte SPE, in tegenstelling tot de huidige commerciële systemen die draaien met verzwakte laserbronnen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Light:Science &Applications . + Verder verkennen

Single-photon source effent de weg voor praktische kwantumversleuteling