Doorbraak in de integratie van één foton houdt belofte in voor kwantumcomputers en cryptografie

Een recente studie heeft een aanzienlijke vooruitgang onthuld in de richting van de integratie op de chip van bronnen met één foton bij kamertemperatuur. Deze prestatie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van kwantumfotonica en is veelbelovend voor verschillende toepassingen, waaronder kwantumcomputers, cryptografie en detectie.

De belangrijkste innovatie ligt in de implementatie van een hybride metaal-diëlektrische bullseye-antenne, die een uitzonderlijke fotonrichting levert. Dit nieuwe antenneontwerp maakt de efficiënte terugexcitatie van fotonen mogelijk door de zender in een gat onder de golflengte in het midden van de antenne te plaatsen. Deze configuratie maakt zowel directe back-excitatie als zeer efficiënte frontkoppeling van emissie naar optica of optische vezels met een lage numerieke opening mogelijk.

De studie demonstreert de veelzijdigheid van dit concept door apparaten te fabriceren die ofwel colloïdale kwantumdots ofwel nanodiamanten bevatten die silicium-vacancycentra bevatten, beide uitstekende emitters van afzonderlijke fotonen, zelfs bij kamertemperatuur. Deze zenders werden nauwkeurig gepositioneerd met behulp van twee verschillende nanopositioneringsmethoden.

Opmerkelijk genoeg vertoonden beide typen back-excited-apparaten een front-collection-efficiëntie van ongeveer 70% bij numerieke openingen van slechts 0,5. Dit betekent dat men zeer eenvoudige en compacte optische elementen kan gebruiken en toch de meeste fotonen in het gewenste kanaal kan verzamelen of de uitgezonden fotonen nauwkeurig naar een nabijgelegen optische vezel kan sturen zonder dat er extra koppelingsoptiek nodig is.

Dit is een belangrijk ingrediënt bij het integreren van kwantumlichtbronnen in echte kwantumsystemen. Dit gestroomlijnde proces belooft toekomstige integratie-inspanningen te vereenvoudigen en de realisatie van praktische kwantumfotonische apparaten te versnellen.

De onderzoekspapier getiteld “Room-Temperature Fiber-Coupled Single-Photon Sources based on Colloidal Quantum Dots and SiV Centers in Back-Excited Nanoantennas” is gepubliceerd in Nano-brieven.

Het werk werd geleid door Boaz Lubotzky tijdens zijn Ph.D. onderzoek, samen met prof. Ronen Rapaport van het Racah Institute of Physics aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, in samenwerking met teams van het Los Alamos National Laboratory en van de Ulm Universiteit in Duitsland.

Lubotzky gaf commentaar op de betekenis van deze prestatie en zei: “Door de belangrijkste uitdagingen te overwinnen die verband houden met de integratie van bronnen met één foton op de chip, hebben we opwindende nieuwe mogelijkheden geopend voor de ontwikkeling van geavanceerde kwantumtechnologieën.”

De succesvolle integratie van bronnen met één foton op kleine chips bij kamertemperatuur, bereikt door het innovatieve gebruik van een hybride metaal-diëlektrische bullseye-antenne, heeft directe toepassingen in het bevorderen van kwantumcryptografie voor veilige communicatie, het verbeteren van detectietechnologieën en het stroomlijnen van het integratieproces voor praktische kwantumfotonische apparaten.

De bevindingen van het onderzoek openen deuren voor commerciële toepassingen en de ontwikkeling van nieuwe producten op het snelgroeiende gebied van kwantumtechnologieën.