Bij optische communicatie kritieke informatie, variërend van een creditcardnummer tot nationale veiligheidsgegevens, wordt verzonden in stromen laserpulsen. Echter, de informatie die op deze manier wordt verzonden, kan worden gestolen door een paar fotonen (het kwantum van licht) van de laserpuls te splitsen. Dit soort afluisteren kan worden voorkomen door stukjes informatie over kwantummechanische toestanden (bijvoorbeeld polarisatietoestand) van enkele fotonen te coderen. De mogelijkheid om op verzoek enkele fotonen te genereren, is de sleutel tot de realisatie van een dergelijk communicatieschema.

Door aan te tonen dat de opname van ongerepte enkelwandige koolstofnanobuizen in een siliciumdioxide (SiO2) -matrix zou kunnen leiden tot het creëren van een eenzame zuurstofdoteringstoestand die fluctuatievrij kan zijn, enkelvoudige fotonenemissie bij kamertemperatuur, Los Alamos-onderzoekers onthulden een nieuwe weg naar on-demand generatie van enkelvoudige fotonen. Natuur Nanotechnologie hun bevindingen gepubliceerd.

Fotonen die door lasers worden uitgezonden, worden willekeurig in de tijd verdeeld. Daarom, "gelijktijdige" emissie van twee of meer fotonen is mogelijk. Echte generatie van één foton vereist een geïsoleerd kwantummechanisch systeem met twee niveaus dat slechts één foton kan uitzenden in één excitatie-emissiecyclus. Technologische vereisten van materialen voor kwantumcommunicatie omvatten de mogelijkheid om enkele fotonen te genereren in de 1, 300 – 1, 500 nanometer (nm) telecommunicatiegolflengtebereik bij kamertemperatuur en compatibiliteit met siliciummicrofabricagetechnologie om elektrische stimulatie en integratie van andere elektronische en fotonische netwerkcomponenten mogelijk te maken. Eerdere studies hebben aangetoond dat koolstofnanobuisjes technische uitdagingen bieden voor gebruik in kwantumcommunicatie:1) de materialen waren alleen in staat tot enkelvoudige fotonenemissie bij cryogene temperatuur, en 2) hun inefficiënte emissie had sterke fluctuaties en degradatie.

Het nieuwe onderzoek van het laboratorium heeft aangetoond dat de opname van zuivere koolstofnanobuisjes in een siliciumdioxide (SiO2) -matrix zou kunnen leiden tot de opname van solitaire zuurstofdoteringstoestanden die in staat zijn tot fluctuatievrije, enkelvoudige fotonenemissie bij kamertemperatuur in het golflengtebereik van 1100 - 1300 nm.

De met zuurstof gedoteerde nanobuisjes kunnen worden ingekapseld in een SiO2-laag die is afgezet op een siliciumwafel. Dit biedt een kans om gevestigde micro-elektronische fabricagetechnologieën toe te passen voor de ontwikkeling van elektrisch aangedreven enkelvoudige fotonbronnen en integratie van deze bronnen in kwantumfotonische apparaten en netwerken. Naast de implementatie van kwantumcommunicatietechnologieën, op nanobuisjes gebaseerde enkele fotonbronnen kunnen transformatieve kwantumtechnologieën mogelijk maken, waaronder ultragevoelige absorptiemetingen, sub-diffractie beeldvorming, en lineaire kwantumcomputers. Het materiaal heeft potentieel voor fotonische, plasmonisch, opto-elektronisch, en toepassingen voor kwantuminformatiewetenschap.

Door gebruik te maken van een state-of-the-art fotondetector, het team mat de temporele verdeling van twee opeenvolgende fotonenemissiegebeurtenissen en toonde enkele fotonenemissie aan. In aanvulling, het team onderzocht de effecten van temperatuur op de efficiëntie van fotoluminescentie-emissie, schommelingen, en vervaldynamiek van de doteringstoestanden in de enkelwandige koolstofnanobuis. De onderzoekers bepaalden de omstandigheden die het meest geschikt zijn voor de waarneming van enkelvoudige fotonenemissie. In principe, de emissie kan worden afgestemd op 1500 nm via doping van kleinere bandgap enkelwandige koolstofnanobuizen. Dit is een duidelijk voordeel in vergelijking met sommige andere materialen, waarin enkelvoudige fotonenemissie mogelijk is voor slechts enkele discrete golflengten korter dan 1 µm.