Kwantuminformatiewetenschap en -technologie is naar voren gekomen als een nieuw paradigma voor aanzienlijk snellere berekeningen en veilige communicatie in de 21e eeuw. De kern van elk kwantumsysteem is de meest elementaire bouwsteen, de kwantumbit of qbit, die de kwantuminformatie bevat die kan worden overgedragen en verwerkt (dit is de kwantumanaloog van het bit dat in de huidige informatiesystemen wordt gebruikt). De meest veelbelovende carrier qbit voor ultiem snelle, lange afstand quantum informatieoverdracht is het foton, de kwantumeenheid van licht.

De uitdaging voor wetenschappers is om kunstmatige bronnen van fotonen te produceren voor verschillende kwantuminformatietaken. Een van de grootste uitdagingen is de ontwikkeling van efficiënte, schaalbare fotonbronnen die op een chip kunnen worden gemonteerd en bij kamertemperatuur werken. De meeste bronnen die tegenwoordig in laboratoria worden gebruikt, moeten erg koud zijn (bij de temperatuur van vloeibaar helium, ongeveer -270C), waarvoor grote en dure koelkasten nodig zijn. Veel bronnen zenden ook fotonen uit in ongedefinieerde richtingen, efficiënt inzamelen een moeilijk probleem maken.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem heeft een efficiënte en compacte enkele fotonbron aangetoond die bij omgevingstemperatuur op een chip kan werken. Met behulp van kleine nanokristallen gemaakt van halfgeleidende materialen, de wetenschappers ontwikkelden een methode waarbij een enkel nanokristal nauwkeurig kan worden gepositioneerd bovenop een speciaal ontworpen en zorgvuldig gefabriceerde nano-antenne.

Op dezelfde manier sturen grote antennes op daken de uitzending van klassieke radiogolven voor cellulaire en satelliettransmissies, de nano-antenne stuurde de enkele fotonen die door de nanokristallen werden uitgezonden efficiënt in een goed gedefinieerde richting in de ruimte. Dit gecombineerde nanokristallen-nanoantenne-apparaat was in staat om een ​​zeer gerichte stroom van enkele fotonen te produceren die allemaal in dezelfde richting vlogen met een record lage divergentiehoek. Deze fotonen werden vervolgens verzameld met een zeer eenvoudige optische opstelling, en verzonden om te worden gedetecteerd en geanalyseerd met behulp van enkele fotondetectoren.

Het team toonde aan dat dit hybride apparaat de verzamelefficiëntie van enkele fotonen met meer dan een factor 10 verbetert in vergelijking met een enkel nanokristal zonder de antenne. zonder de noodzaak van complexe en omvangrijke optische opvangsystemen die in veel andere experimenten worden gebruikt. Experimentele resultaten tonen aan dat bijna 40% van de fotonen gemakkelijk kan worden verzameld met een zeer eenvoudig optisch apparaat, en meer dan 20% van de fotonen wordt uitgezonden in een zeer lage numerieke apertuur, een 20-voudige verbetering ten opzichte van een vrijstaande kwantumdot, en met een waarschijnlijkheid van meer dan 70% voor een enkele fotonenemissie. De zuiverheid van een enkel foton wordt alleen beperkt door emissie van het metaal, een obstakel dat kan worden omzeild met een zorgvuldig ontwerp en fabricage.

De antennes zijn vervaardigd met behulp van eenvoudige metalen en diëlektrische lagen met behulp van methoden die compatibel zijn met de huidige industriële fabricagetechnologieën, en veel van dergelijke apparaten kunnen dicht op één kleine chip worden gefabriceerd. Het team werkt nu aan een nieuwe generatie verbeterde apparaten waarmee deterministische productie van enkele fotonen rechtstreeks van de chip in optische vezels mogelijk wordt. zonder extra optische componenten, met een bijna eenheidsrendement.

"Dit onderzoek effent een veelbelovende route voor een hoge zuiverheid, hoge efficiëntie, on-chip enkele fotonbron die werkt bij kamertemperatuur, een concept dat kan worden uitgebreid tot vele soorten kwantumstralers. Een zeer directionele enkele fotonbron zou kunnen leiden tot een aanzienlijke vooruitgang bij het produceren van compacte, goedkoop, en efficiënte bronnen van kwantuminformatiebits voor toekomstige kwantumtechnologische toepassingen", zei prof. Ronen Rapaport, van het Racah Institute of Physics, De faculteit Technische Natuurkunde, en het Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem.

De studie is gepubliceerd in de Nano-letters .