Natuurkundigen ontwikkelen een recordbrekende bron voor enkele fotonen

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

Kwantumcryptografie belooft absoluut veilige communicatie. Een belangrijk onderdeel hiervan zijn reeksen van enkele fotonen. Informatie kan worden opgeslagen in de kwantumtoestanden van deze lichtdeeltjes en over grote afstanden worden verzonden. In de toekomst zullen kwantumprocessoren op afstand met elkaar communiceren via enkele fotonen. En misschien gebruikt de processor zelf fotonen als kwantumbits voor computers.

Een basisvoorwaarde voor dergelijke toepassingen is echter 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, rapporteert nu in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie over de ontwikkeling van een enkele fotonbron die de eerder bekende systemen aanzienlijk overtreft in termen van efficiëntie.

“Funnel” geleidt lichte deeltjes

Elk foton wordt gemaakt door een enkel “kunstmatig atoom” (een kwantumstip) in een halfgeleider te exciteren. Meestal verlaten deze fotonen de kwantumdot in alle mogelijke richtingen en gaat dus een groot deel verloren. In de fotonenbron die nu wordt gepresenteerd, hebben de onderzoekers dit probleem opgelost door de kwantumdot in een “trechter” te plaatsen om alle fotonen in een bepaalde 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 stuurt ze vervolgens naar een optische vezel. De fotonen, elk ongeveer twee centimeter lang, komen tevoorschijn aan het uiteinde 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 bronnen met één foton. “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 onze ideeën in praktijk te brengen.”

Enorme toename van rekenkracht

De toename van de efficiëntie heeft aanzienlijke gevolgen, voegt Warburton eraan toe: “het verhogen van de efficiëntie van het maken van een enkel foton met een factor twee leidt tot een algehele verbetering van een factor een miljoen voor een reeks van bijvoorbeeld 20 fotonen. In de toekomst, we willen onze bron van één foton nog beter maken: we willen het vereenvoudigen en enkele van zijn talloze toepassingen in kwantumcryptografie, kwantumcomputers en andere technologieën nastreven. ”