Een nieuwe kwantumsensor, ontwikkeld door onderzoekers van het Institute for Quantum Computing (IQC) van de Universiteit van Waterloo, heeft bewezen beter te presteren dan bestaande technologieën en belooft aanzienlijke vooruitgang in 3D-beeldvorming op lange afstand en het volgen van het succes van kankerbehandelingen.

De sensoren zijn de eerste in hun soort en zijn gebaseerd op halfgeleider nanodraden die afzonderlijke lichtdeeltjes kunnen detecteren met een hoge timingresolutie, snelheid en efficiëntie over een ongeëvenaard golflengtebereik, van ultraviolet tot nabij-infrarood.

De technologie heeft ook de mogelijkheid om de kwantumcommunicatie en remote sensing-mogelijkheden aanzienlijk te verbeteren.

"Een sensor moet heel efficiënt zijn in het detecteren van licht. In toepassingen als kwantumradar, toezicht, en nachtelijke operatie, zeer weinig lichtdeeltjes keren terug naar het apparaat, " zei hoofdonderzoeker Michael Reimer, een IKC-faculteitslid en assistent-professor in de afdeling elektrotechniek en computertechniek van de faculteit Ingenieurswetenschappen. "In deze gevallen, je wilt elk binnenkomend foton kunnen detecteren."

De volgende generatie kwantumsensor ontworpen in Reimer's lab is zo snel en efficiënt dat het een enkel deeltje licht kan absorberen en detecteren, een foton genoemd, en ververs binnen nanoseconden voor de volgende. De onderzoekers creëerden een reeks taps toelopende nanodraden die binnenkomende fotonen omzetten in elektrische stroom die kan worden versterkt en gedetecteerd.

Teledetectie, high-speed beeldvorming vanuit de ruimte, het verwerven van 3D-beelden met een hoge resolutie op lange afstand, kwantumcommunicatie, en singlet-zuurstofdetectie voor dosismonitoring bij de behandeling van kanker zijn allemaal toepassingen die kunnen profiteren van het soort robuuste enkelvoudige fotondetectie dat deze nieuwe kwantumsensor biedt.

De halfgeleidende nanodraadarray bereikt zijn hoge snelheid, timing resolutie en efficiëntie dankzij de kwaliteit van de materialen, het aantal nanodraden, dopingprofiel en de optimalisatie van de vorm en opstelling van de nanodraad. De sensor detecteert een breed spectrum van licht met een hoog rendement en een hoge timingresolutie, allemaal tijdens het werken bij kamertemperatuur. Reimer benadrukt dat de spectrumabsorptie nog verder kan worden verbreed met verschillende materialen.

"Dit apparaat maakt gebruik van indiumfosfide (InP) nanodraden. Het materiaal veranderen in Indium Gallium Arsenide (InGaAs), bijvoorbeeld, kan de bandbreedte nog verder uitbreiden naar telecommunicatiegolflengten met behoud van prestaties, "Zei Reimer. "Het is nu state-of-the-art, met het potentieel voor verdere verbeteringen."

Zodra het prototype is verpakt met de juiste elektronica en draagbare koeling, de sensor is klaar om buiten het laboratorium getest te worden. "Een breed scala aan industrieën en onderzoeksgebieden zullen profiteren van een kwantumsensor met deze mogelijkheden, ’ zei Reimmer.

In samenwerking met onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven, Taps toelopende InP-nanodraadarrays voor efficiënte breedband-high-speed single-photon-detectie werd gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 4 maart. Dit onderzoek is mede tot stand gekomen dankzij financiering van het Canada First Research Excellence Fund (CFREF).