Wetenschappers van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (SANKEN) van de Universiteit van Osaka hebben, in samenwerking met de Canadian National Research Council (NRC), een galliumarsenide (GaAs) kwantumdot ontwikkeld die individuele elektronen kan vangen. Door de kristallografische oriëntatie van het substraat te controleren, hoopt het onderzoeksteam de omzetting van fotonen in spin-gepolariseerde elektronen te optimaliseren. Dit werk kan helpen om kwantumnetwerken praktischer te maken, vooral voor het versleutelen van beveiligde gegevens.

Elke computer of tablet die u bezit, is gebaseerd op berekeningen waarbij gebruik wordt gemaakt van de lading van elektronen. Terwijl de huidige elektronische apparaten verbazingwekkende prestaties op het gebied van verwerkingssnelheid hebben bereikt terwijl ze steeds kleiner worden, bestaat de mogelijkheid dat fabrikanten op een dag spoedig tegen fundamentele grenzen aanlopen van wat kan worden gedaan met behulp van conventionele methoden. Een veelbelovend alternatief is om ook gebruik te maken van het intrinsieke magnetische moment van elektronen, 'spin' genaamd. Omdat deze spins tegelijkertijd in een superpositie van zowel omhoog als omlaag kunnen worden geplaatst, opent dit de weg voor kwantumcomputers die bepaalde problemen mogelijk veel sneller kunnen oplossen dan de huidige hardware. Spin kan ook worden gebruikt als medium voor kwantumcommunicatie door kwantuminformatie over te dragen met licht. Maar dit proces van informatieoverdracht naar de spin van extreem kleine elektronen is een uitdaging en moet efficiënt worden uitgevoerd.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Osaka 's werelds eerste GaAs-gate-gecontroleerde kwantumdot-circuit gerealiseerd op een (110)-georiënteerd oppervlak dat belooft de efficiëntie van foton-elektron-spinconversie te verhogen (zie figuur 1). Dit heeft het effect van het coderen van kwantuminformatie van invallende fotonen in de elektronenspins. "Wij geloven dat ons onderzoek de eerste demonstratie is van een gate-gedefinieerd kwantumpuntcircuit dat ook ladingsdetectiemogelijkheden heeft, met behulp van deze specifieke oriëntatie van een GaAs-substraat", zegt eerste auteur Tomohiro Nakagawa.

Foton-elektron-spinconversie wordt uitgevoerd door een elektron en een gat te exciteren via absorptie van een foton. Hoewel er twee soorten gaten zijn, zwaar en licht, zijn conventioneel alleen lichte gaten in GaAs-kwantumpuntcircuits op (001)-georiënteerde oppervlakken gebruikt. Vanwege de manier waarop het gat interageert met het GaAs-kristalrooster, kan de g-factor, die helpt bij het bepalen van het magnetische moment dat resulteert uit de spin, in verschillende cryptografische oriëntaties effectief verschillen. Deze functie maakt de efficiënte conversie van kwantuminformatie mogelijk door gebruik te maken van een toestand met een zwaar gat, wat voorheen onmogelijk was voor conventionele substraten. In de toekomst kan dit deel uitmaken van een protocol voor het verzenden van onkraakbare kwantumgeheime sleutels voor het beveiligen van gevoelige gegevens. "Een toepassing van ons werk kan absoluut veilige kwantumcryptografische communicatie over lange afstanden zijn", zegt de corresponderende auteur Akira Oiwa.

Dit werk is tot stand gekomen als onderdeel van een sterke internationale samenwerking met NRC. "Het samenbrengen van complementaire expertise, knowhow en faciliteiten kan het werktempo voor de gemeenschappelijke doelen van beide groepen aanzienlijk versnellen, in dit geval de ontwikkeling van kwantumnetwerken. Internationale samenwerking zal van vitaal belang zijn voor de vooruitgang van kwantumnetwerktechnologieën over de de komende decennia”, zegt NRC Senior Research Officer David G. Austing. + Verder verkennen

Een nanoantenne voor ultraveilige communicatie over lange afstand