Een team wetenschappers van de Universiteit van Cambridge heeft een belangrijke doorbraak bereikt in de ontwikkeling van efficiënte bronnen van verstrengelde fotonen, die cruciaal zijn voor verschillende toepassingen in kwantumtechnologieën. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, laten zien hoe excitonische interacties in ultradunne halfgeleiders de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Verstrengelde fotonen:een hoeksteen van kwantumtechnologieën

Verstrengelde fotonen zijn paren fotonen die een unieke correlatie vertonen, bekend als kwantumverstrengeling. Dit fenomeen komt voort uit de golf-deeltjesdualiteit van licht en kent geen klassieke tegenhanger. Verstrengelde fotonen zijn fundamentele bouwstenen geworden voor verschillende kwantumtechnologieën, waaronder kwantumcomputing, kwantumcryptografie en kwantumdetectie.

Uitdagingen bij het genereren van verstrengelde fotonen

Ondanks hun belang blijft het efficiënt genereren van verstrengelde fotonen een aanzienlijke uitdaging. Conventionele methoden omvatten vaak omvangrijke en complexe optische opstellingen, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt. Halfgeleider-kwantumputten, dunne lagen halfgeleiders, zijn veelbelovende kandidaten gebleken voor het efficiënt genereren van verstrengelde fotonen vanwege hun sterke licht-materie-interacties. De efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen in deze systemen wordt echter vaak beperkt door niet-stralingsrecombinatieprocessen, waarbij de energie van de geëxciteerde elektronen en gaten verloren gaat als warmte in plaats van te worden uitgezonden als fotonen.

Excitonische interacties verhogen de efficiëntie

In hun onderzoek maakten de wetenschappers uit Cambridge gebruik van excitonische interacties in ultradunne halfgeleiders om de beperkingen van conventionele verstrengelde fotonenbronnen te overwinnen. Excitonen zijn quasideeltjes die ontstaan ​​door de sterke binding van elektronen en gaten in halfgeleiders. Door de dikte en samenstelling van de halfgeleiderkwantumputten zorgvuldig te controleren, konden de onderzoekers de excitonische interacties verbeteren, wat leidde tot een substantiële toename van de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen.

Belangrijkste bevindingen en implicaties

De wetenschappers observeerden een opmerkelijke verbetering in de efficiëntie van het genereren van verstrengelde fotonen met een factor van ongeveer 100 vergeleken met conventionele kwantumputstructuren. Deze significante verbetering werd toegeschreven aan de verhoogde stralingsrecombinatiesnelheid, mogelijk gemaakt door excitonische interacties. Bovendien vertoonden de ultradunne kwantumlichtbronnen een hoge mate van polarisatieverstrengeling, waardoor ze geschikt zijn voor verschillende kwantuminformatieverwerkingstoepassingen.

De bevindingen hebben aanzienlijke implicaties voor de ontwikkeling van praktische kwantumtechnologieën. De ultradunne kwantumlichtbronnen bieden een compacte en efficiënte oplossing voor het genereren van verstrengelde fotonen, wat de weg vrijmaakt voor geminiaturiseerde en geïntegreerde kwantumapparaten. Deze vooruitgang zou verdere doorbraken op het gebied van kwantumcomputing, kwantumcommunicatie en kwantumdetectie mogelijk kunnen maken, waardoor we dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van kwantumtechnologieën komen.