Onderzoekers van de Universiteit van Basel en de Ruhruniversiteit Bochum hebben een bron van enkelvoudige fotonen ontwikkeld die miljarden van deze kwantumdeeltjes per seconde kan produceren. Met zijn recordbrekende efficiëntie, de fotonenbron vertegenwoordigt een nieuwe en krachtige bouwsteen voor kwantumtechnologieën.

Kwantumcryptografie belooft absoluut veilige communicatie. Een belangrijk onderdeel hier zijn strings van enkele fotonen. Informatie kan worden opgeslagen in de kwantumtoestanden van deze lichtdeeltjes en over lange afstanden worden verzonden. In de toekomst, externe kwantumprocessors zullen met elkaar communiceren via enkele fotonen. En misschien zal de processor zelf fotonen gebruiken als kwantumbits voor computers.

Een basisvoorwaarde voor dergelijke toepassingen, echter, is een efficiënte bron van enkele fotonen. Een onderzoeksteam onder leiding van professor Richard Warburton, Natasha Tomm en Dr. Alisa Javadi van de Universiteit van Basel, samen met collega's uit Bochum, meldt nu in het journaal Natuur Nanotechnologie over de ontwikkeling van een enkele fotonbron die de eerder bekende systemen aanzienlijk overtreft in termen van efficiëntie.

"Trechter" geleidt lichte deeltjes

Elk foton wordt gecreëerd door een enkel "kunstmatig atoom" (een kwantumpunt) in een halfgeleider te prikkelen. Gebruikelijk, deze fotonen verlaten de quantum dot in alle mogelijke richtingen en daarmee gaat een groot deel verloren. In de nu gepresenteerde fotonbron, de onderzoekers hebben dit probleem opgelost door de kwantumstip in een "trechter" te plaatsen om alle fotonen in een specifieke richting te sturen.

De trechter is een nieuwe microholte die de echte innovatie van het onderzoeksteam vertegenwoordigt:de microholte vangt bijna alle fotonen op en leidt ze vervolgens naar een optische vezel. de fotonen, elk ongeveer twee centimeter lang, ontstaan ​​aan het einde van een optische vezel.

De efficiëntie van het hele systeem, dat wil zeggen de kans dat excitatie van de kwantumdot daadwerkelijk resulteert in een bruikbaar foton - is 57 procent, meer dan het dubbele van die van eerdere single-photon-bronnen. "Dit is een heel bijzonder moment, " legt hoofdauteur Richard Warburton uit. "We weten al een jaar of twee wat er in principe mogelijk is. Nu zijn we erin geslaagd om onze ideeën in de praktijk te brengen."

Enorme toename rekenkracht

De verhoging van de efficiëntie heeft grote gevolgen, Warburton voegt toe:"het verhogen van de efficiëntie van het creëren van een enkel foton met een factor twee leidt tot een algehele verbetering van een factor één miljoen voor een reeks van, zeggen, 20 fotonen. In de toekomst, we willen onze enkelvoudige fotonbron nog beter maken:we willen het vereenvoudigen en enkele van zijn talloze toepassingen in kwantumcryptografie nastreven, quantum computing en andere technologieën."