Cercetătorii obțin fotoni aproape identici pentru comunicațiile cuantice
O colaborare între Universitatea Paderborn, Universitatea din Basel și Universitatea Ruhr Bochum a dus la o descoperire importantă în domeniul comunicațiilor cuantice. Într-un studiu publicat recent în revista Physical Review Letters, cercetătorii demonstrează cum nanostructurile semiconductoare speciale pot fi folosite pentru a genera fotoni individuali și perechi de fotoni aproape perfect identici.
Acești fotoni „indistingibili” reprezintă baza pentru entanglementul cuantic și interferența cuantică. În procesarea informației cuantice, fotonii sunt purtători ideali de informație, însă pentru calcule complexe aceștia trebuie să posedă exact aceleași proprietăți. Până acum, astfel de surse au avut de suferit din cauza faptului că fotonii generați erau corelați temporal sau defocalizați, ceea ce le reducea considerabil indistingibilitatea și, implicit, calitatea.
Dezintegrarea biexcitonului, soluția pentru fotoni de calitate superioară
Echipa de cercetători a rezolvat această problemă folosind un proces cunoscut sub numele de „dezintegrare biexciton” în puncte cuantice semiconductoare amplasate într-un rezonator optic. Este vorba despre un proces în care o moleculă formată din doi excitoni legați — fiecare fiind o pereche formată dintr-un electron și un gol de electron — se dezintegrează, lăsând în urmă un singur exciton și un foton.
„Așa-numita «cascadă biexciton» într-un punct cuantic semiconductor emite fotoni la apăsarea unui buton, care prezintă un mare interes pentru aplicațiile moderne. Este un proces în care un punct cuantic este excitat dublu, iar excitația se dezintegrează ulterior. Astfel se generează doi fotoni, unul după celălalt”, explică autorul principal Timon Baltisberger de la Universitatea din Basel.
Fotoni identici la apăsarea unui buton
„Un punct cuantic este adesea descris ca un atom artificial în interiorul unui semiconductor, capabil să genereze particule individuale de lumină. Prin integrarea sa într-o cavitate optică specializată — similară celei dintr-un laser — procesul de emisie a luminii a fost accelerat și controlat în mod specific în acest studiu”, explică dr. Stefan Schumacher, șeful grupului de cercetare „Theory of Functional Photonic Structures” din cadrul Departamentului de Fizică și al Institutului pentru Sisteme Fotonice Cuantice (PhoQS) de la Universitatea Paderborn.
De-a lungul ultimilor ani, grupul de cercetare condus de profesorul Richard Warburton de la Universitatea din Basel a desfășurat cercetări intensive privind interacțiunea acestor puncte cuantice cu cavitățile optice. Cercetătorii au reușit acum să aplice această expertiză biexcitonului pentru a-i accelera dezintegrarea în mod controlat. Rezultatul constă în fotoni de calitate mult superioară: aceștia sunt indistingibili în proporție de 90%, față de doar 60% fără acest efect — o îmbunătățire semnificativă.
„Rezultatele arată o concordanță excelentă cu predicția teoretică și indică calea către generarea de fotoni cu o indistingibilitate și mai mare. Ele demonstrează că dezintegrarea biexcitonului poate produce fotoni de foarte înaltă calitate — cu condiția ca sistemul să fie controlat corespunzător folosind o cavitate”, a declarat Warburton.
Puritatea fotoni lor poate fi ajustată
Lucrarea comună cu dr. Arne Ludwig de la Universitatea Ruhr Bochum a oferit, de asemenea, perspective profunde asupra mecanismelor fizice subiacente. „Am descoperit că puritatea fotoni lor generați poate fi optimizată și cu ajutorul rezonatorului și este limitată doar de vibrațiile din rețeaua cristalină a semiconductorului (fononi). Acest fenomen, cunoscut sub numele de «cavity feeding», trebuie luat în considerare în proiectările viitoare și poate fi apoi minimizat sistematic și mai mult”, explică dr. Klaus Jöns, șeful grupului de cercetare „Hybrid Quantum Photonic Devices” din cadrul Departamentului de Fizică și al Institutului pentru Sisteme Fotonice Cuantice (PhoQS) de la Universitatea Paderborn.
Cu cât fotoni generați sunt mai indistingibili și mai puri, cu atât rata de eroare în procesarea datelor este mai scăzută. Punctele cuantice sunt considerate o tehnologie promițătoare pentru producția în masă a unor astfel de fotoni. Primele constatări detaliate privind aplicația sursei de fotoni individuali descrisă în această lucrare pot fi găsite într-un alt articol, publicat în revista Physical Review Applied ca „Editors’ Suggestion”.
