Yksittäisiä fotonilähteitä kvanttiviestintää varten

Tulevaisuuden kvanttiteknologioita voimanlähteenä käyttävien materiaalien etsintä kiihtyy, mutta lupaavimpien ehdokkaiden tunnistaminen on edelleen tuskallisen hidasta. Sen arvioiminen, pystyykö materiaali tehokkaasti emittoimaan kvanttivaloa, vaatii laskennallisesti intensiivisiä simulaatioita, mikä vaikeuttaa saatavilla olevien materiaalien valtavan määrän seulontaa.

Osakan yliopiston tutkijat ovat nyt ratkaisseet tämän pullonkaulan ennustusmenetelmällä, joka arvioi lupaavia kvanttimateriaaleja nopeasti tinkimättä tarkkuudesta. He ovat luoneet nopean ensimmäisiin periaatteisiin perustuvan kehyksen yksittäisiä fotoneja emittoivien ja kvantti-informaatiota tallentavien atomitason värikeskusten arvioimiseksi.

Värikeskukset ovat lupaavia kvanttiteknologioille, kuten viestinnälle, aistimiselle ja laskennalle, koska ne voivat emittoida yksittäisiä fotoneja säilyttäen samalla kvantti-informaation. Ihanteellisten ehdokkaiden tunnistaminen on kuitenkin haastavaa, koska niiden tehokkuuden arviointi vaatii vaativia laskelmia sen määrittämiseksi, kuinka paljon energiaa menetetään kiteen sisällä oleviin värähtelyihin sen sijaan, että se emittoituisi valona. Näiden häviöiden kvantifiointi vaatii perinteisesti laskennallisesti kattavia simulaatioita, jotka haittaavat materiaalien löytämistä.

Toisin kuin työläitä ja kalliita perinteisiä menetelmiä, uusi menetelmä ennustaa nopeasti valon emittointitehokkuutta mahdollistamalla optisten häviöiden arvioinnin yksinkertaistettujen teoreettisten lausekkeiden avulla.

Myös Münchenin teknillisen yliopiston(TUM) ja Münchenin kvanttitieteen ja -teknologian keskuksen (MCQST) tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän yksittäisien fotonien lähteisiin liittyen.

Halutun taajuuden vahvistamisen sijaan tutkijat vaimentavat nyt valikoivasti ei-toivottuja taajuuksia. Sen sijaan, että saisivat emitterit lähettämään enemmän valoa tietyllä taajuudella, he mukauttavat lähettäjän ympäristöä niin, että vähemmän valoa lähtee ei-toivotuilla taajuuksilla.

Tätä varten he käyttävät fotonisia kideaaltojohteita. Tiimi suunnittelee fotonisia kideaaltojohteita siten, että ne vaimentavat vain ei-toivottuja valotaajuuksia säilyttäen samalla halutut taajuudet.

Alustavat kokeet vahvistavat teknologian tehokkuuden: fotonisten kideaaltojohtimien avulla he pystyivät lisäämään haluttujen fotonien osuutta emittoidussa valossa noin 23 prosentista noin 72 prosenttiin. Tämä tarkoittaa, että uusi menetelmä saavuttaa tuloksia, jotka aiemmin olivat saavutettavissa vain huomattavasti monimutkaisemmilla resonaattorimenetelmillä.

Tutkijat suorittivat alustavat kokeensa käyttämällä erbiumia fotonilähteenä – alkuainetta, jota käytetään jo nykyään kuituoptisissa teknologioissa.

Aiheesta aiemmin:

Hiilinanoputkista yksittäisten fotonien valonlähde

Piiperustaisia yhden fotonin lähteitä