Huishoudelijke gloeilampen geven een chaotische stroom van energie af, als biljoenen minuscule lichtdeeltjes - fotonen genaamd - reflecteren en verstrooien in alle richtingen. Quantum lichtbronnen, anderzijds, zijn als lichtkanonnen die enkele fotonen één voor één afvuren, elke keer dat ze worden geactiveerd, waardoor ze hackbestendige digitale informatie kunnen vervoeren - technologie die aantrekkelijk is voor industrieën zoals financiën en defensie.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Stevens Institute of Technology en Columbia University hebben een schaalbare methode ontwikkeld om met ongekende precisie grote aantallen van deze kwantumlichtbronnen op een chip te creëren, die niet alleen de weg zou kunnen effenen voor de ontwikkeling van onbreekbare cryptografische systemen, maar ook kwantumcomputers die kunnen presteren complexe berekeningen in seconden waar normale computers jaren over zouden doen om te voltooien.

"De zoektocht naar schaalbare kwantumlichtbronnen is al 20 jaar aan de gang, en is recentelijk een nationale prioriteit geworden, " zegt Stefan Strauf, die het werk leidde en tevens directeur is van Stevens' Nanophotonic Lab. "Dit is de eerste keer dat iemand een niveau van ruimtelijke controle heeft gecombineerd met hoge efficiëntie op een schaalbare chip, die allemaal nodig zijn om kwantumtechnologieën te realiseren."

Het werk, om te worden gerapporteerd in het online nummer van 29 oktober van Natuur Nanotechnologie , beschrijft een nieuwe methode om on-demand quantumlichtbronnen op elke gewenste locatie op een chip te creëren, door een atoomdunne film van halfgeleidend materiaal over nanokubussen van goud te spannen. Als strakke huishoudfolie, de film strekt zich uit over de hoeken van de nanokubussen, het inprenten van gedefinieerde locaties waar single-photon emitters vormen.

Onderzoek in het verleden heeft methoden getest voor het produceren van kwantumstralers op gedefinieerde locaties, maar deze ontwerpen waren niet schaalbaar of efficiënt in het vaak genoeg triggeren van enkele fotonen om praktisch bruikbaar te zijn. Strauf en zijn team hebben daar verandering in gebracht door als eersten ruimtelijke controle en schaalbaarheid te combineren met de mogelijkheid om op verzoek efficiënt fotonen uit te zenden.

Om deze capaciteiten te bereiken, Het team van Strauf ontwierp een unieke aanpak waarbij de gouden nanokubus een tweeledig doel dient:het drukt de kwantumzender op de chip af en het fungeert als een antenne eromheen. Door de kwantumstralers tussen de gouden nanokubus en spiegel te creëren, Strauf liet een smalle opening van vijf nanometer achter - 20, 000 keer kleiner dan de breedte van een vel papier.

"Deze kleine ruimte tussen de spiegel en nanokubus creëert een optische antenne die alle fotonen in die opening van vijf nanometer leidt, waardoor alle energie wordt geconcentreerd", zegt Strauf. het geeft de nodige boost om de enkele fotonen snel vanaf de gedefinieerde locatie en in de gewenste richting uit te zenden."

Om de efficiëntie van de kwantumlichtbronnen verder te verbeteren, Strauf werkte samen met Katayun Barmak en James Hone, van de Columbia-universiteit, die een techniek ontwikkelde om halfgeleiderkristallen te laten groeien die bijna vrij van defecten zijn. Met behulp van deze unieke kristallen, Stevens' afgestudeerde student Yue Luo bouwde rijen kwantumstralers op een chip door het atoomdunne materiaal over de nanokubussen uit te rekken. De nanoantennes worden gevormd door de spiegel te bevestigen, aan de onderkant van de nanokubus.

Het resultaat:een recordhoogte van 42 miljoen enkelvoudige fotonen per seconde; met andere woorden, elke tweede trigger creëerde een foton op aanvraag, vergeleken met slechts één op de 100 triggers eerder.

Hoewel klein, de emitters zijn opmerkelijk taai. "Ze zijn verbazingwekkend stabiel, " zegt Strauf. "We kunnen ze koelen en opwarmen en de resonator demonteren en weer in elkaar zetten, en ze werken nog steeds." De meeste kwantumstralers moeten gekoeld bewaard worden tot -273°C, maar de nieuwe technologie werkt tot -70°C. "We zijn nog niet op kamertemperatuur, " zegt Strauf, "maar de huidige experimenten tonen aan dat het haalbaar is om daar te komen."