Een internationaal team van onderzoekers, aangesloten bij UNIST heeft een kerntechnologie gepresenteerd voor kwantumfotonische apparaten die worden gebruikt bij de verwerking van kwantuminformatie. Ze hebben voorgesteld om quantum dots te combineren voor het genereren van licht en silicium fotonische technologieën voor het manipuleren van licht op een enkel apparaat.

Deze doorbraak is geleid door professor Je-Hyung Kim in de School of Natural Science van UNIST in samenwerking met professor Edo Waks en een groep onderzoekers van de University of Maryland, Verenigde Staten.

In dit onderzoek, het onderzoeksteam demonstreerde de integratie van silicium fotonische apparaten met een solid-state enkele foton emitter. Ze gebruikten een hybride benadering waarbij siliciumfotonische golfgeleiders werden gecombineerd met InAs/InP-kwantumdots die fungeren als efficiënte bronnen van enkele fotonen op telecomgolflengten die de O-band en C-band overspannen.

Bij klassieke informatica, een bit is een enkel stukje informatie dat in twee toestanden kan bestaan, nul of één. Kwantumcomputers gebruiken kwantumbits die een superpositie kunnen innemen die beide tegelijk omvat. Er zijn verschillende potentieel vruchtbare benaderingen voor de verwerking van kwantuminformatie, inclusief atoom, licht, en supergeleidende apparaten. Echter, de toekomst van kwantumcomputers, zoals de kwantumtoestand zelf, blijft onzeker. Professor Kim richt zich op de verwerking van kwantuminformatie met behulp van licht. Quantumbits kunnen worden geïmplementeerd met behulp van de gepolariseerde lichttoestand, de duur ervan, en de route-informatie, vergelijkbaar met elektronenspins.

Een recent ontwikkelde kwantumlichtbron vertoont de kenmerken van de kwantumfysica, inclusief de superpositie, kwantumverstrengeling, en niet-klonen stelling. Dit heeft innovatieve toepassingstechnologieën mogelijk gemaakt, zoals kwantumsimulatoren, kwantumtoestand overdracht, en kwantumcryptografie. Echter, om de technologieën die worden gebruikt voor de daadwerkelijke kwantuminformatieverwerkingstechnologie te commercialiseren, het is noodzakelijk om kwantumoptica-experimenten rechtstreeks op het fotonische apparaat uit te voeren. Volgens het onderzoeksteam een dergelijke innovatie zou de voorloper kunnen zijn van kwantumcircuits, die naar verwachting een grote rol zullen spelen in de toekomst van kwantumcomputers en communicatie.

"Om op fotonen gebaseerde geïntegreerde kwantumoptische apparaten te bouwen, het is noodzakelijk om zoveel mogelijk kwantumlichtbronnen in één chip te produceren, ", zegt professor Kim. "Door deze studie, we hebben de basisvorm van kwantum optische apparaten voorgesteld door een zeer effectieve kwantumlichtbron met kwantumstippen te produceren en de weg te creëren om licht te manipuleren met behulp van siliciumsubstraten."

Quantum dots zijn ultrafijne deeltjes of nanokristallen van een halfgeleidermateriaal met een diameter van twee tot tien nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter). In het algemeen, kwantumstippen hebben de vorm van verbindingen. Echter, naarmate de maat kleiner wordt, ze beginnen een discontinue energiestructuur te vertonen, wat resulteert in vergelijkbare eigenschappen als het licht dat door atomen wordt uitgezonden. Hoewel kwantumstippen met succes zijn gebruikt als zeer efficiënte bronnen van één foton, ze hadden moeite het licht te beheersen.

In de studie, het onderzoeksteam demonstreerde de integratie van silicium fotonische apparaten met een solid-state enkele foton emitter. Hier, ze gebruikten een hybride benadering die siliciumfotonische golfgeleiders combineert met InAs/InP-kwantumdots die fungeren als efficiënte bronnen van enkele fotonen op telecomgolflengten die de O-band en C-band overspannen. Vervolgens verwijderden ze de kwantumdots via een pick-and-place-procedure met een microsondepunt in combinatie met een gefocusseerde ionenbundel en scanning elektronenmicroscoop. Met deze techniek konden taps toelopende InP-nanobundels met InAs-kwantumdots worden overgebracht op een siliciumgolfgeleider met precisie op nanometerschaal.

"Deze integratie opent de mogelijkheid om gebruik te maken van de zeer geavanceerde fotonica-mogelijkheden die in silicium zijn ontwikkeld om niet-klassiek licht van on-demand enkele fotonbronnen te regelen en te routeren, " merkt het onderzoeksteam op. "Bovendien, de gefabriceerde apparaten werken op telecomgolflengten en kunnen elektrisch worden aangedreven, die nuttig zijn voor op glasvezel gebaseerde kwantumcommunicatie."

Het kwantum optische apparaat, ontwikkeld door het onderzoeksteam heeft met succes de emissie van de kwantumstippen langs de siliciumfotonische circuits met hoge efficiëntie overgebracht. Met behulp van dit, ze integreren ook met succes een on-chip silicium-fotonische bundelsplitser om een ​​Hanbury-Brown- en Twiss-meting uit te voeren.

"Onze aanpak zou de integratie van vooraf gekarakteriseerde III-V-kwantumfotonische apparaten in grootschalige fotonische structuren mogelijk maken om complexe apparaten mogelijk te maken die zijn samengesteld uit vele emitters en fotonen, ’ zegt professor Kim.