Uusi menetelmä tuottaa fotoneja, jotka ovat käytännössä erottamattomia

Paderbornin, Baselin, ja Ruhrin yliopistojen tutkijat ovat tehneet tiiviissä yhteistyössä merkittävän läpimurron kvanttitieteen alalla.

Äskettäin julkaistussa artikkelissaan he osoittavat, kuinka erityisiä puolijohteisia nanorakenteita voidaan käyttää lähes täysin identtisten yksittäisten fotonien ja fotoniparien tuottamiseen.

Nämä toisistaan erottumattomat hiukkaset muodostavat perustan kvanttilomittumiselle ja kvantti-interferenssille. Mutta myös kvantti-informaation prosessoinnissa fotonit ovat ihanteellisia informaation kantajia.

Jotta näitä valohiukkasia voitaisiin käyttää monimutkaisiin laskelmiin, niillä on kuitenkin oltava täsmälleen samat ominaisuudet. Tähän asti tällaiset lähteet ovat kärsineet siitä, että syntyneet fotonit olivat ajallisesti korreloituneita tai epätarkkoja, mikä heikensi huomattavasti niiden laatua.

Baselin ja Paderbornin tohtorikoulutettavien ryhmä on nyt ratkaissut tämän ongelman käyttämällä prosessia, joka tunnetaan nimellä bieksitonien hajoaminen puolijohteisissa kvanttipisteissä optisen resonaattorin sisällä.

Tämä on prosessi, jossa kahdesta sitoutuneesta eksitonista koostuva molekyyli hajoaa jättäen jälkeensä yhden eksitonin ja fotonin. ”Niin kutsuttu ’bieksitonikaskadi’ puolijohdekvanttipisteessä lähettää fotoneja napin painalluksella, mikä on erittäin kiinnostavaa nykyaikaisissa sovelluksissa.

Tässä prosessissa kvanttipiste viritetään kahdesti ja viritys sitten vaimenee. Tämä tuottaa kaksi fotonia peräkkäin”, selittää tutkimuksen pääkirjoittaja Timon Baltisberger Baselin yliopistosta.

”Kvanttipistettä kuvataan usein puolijohteen sisällä olevaksi keinotekoiseksi atomiksi, joka voi tuottaa yksittäisiä valohiukkasia. Integroimalla se erikoistuneeseen optiseen onteloon – joka on samanlainen kuin laserissa – valon emissioprosessia kiihdytettiin ja kontrolloitiin tässä tutkimuksessa”, selittää professori Stefan Schumacher, Paderbornin yliopistosta.

Tutkijat ovat nyt pystyneet soveltamaan tätä asiantuntemusta bieksitoniin kiihdyttääkseen sen hajoamista hallitusti. Tämä johtaa paljon laadukkaampiin fotoneihin: ne ovat 90-prosenttisesti erottamattomia, kun taas ilman tätä ilmiötä luku on vain 60 prosenttia – huomattava parannus.

Lisäksi tutkijat ovat havainneet, että tuotettujen fotonien puhtautta voidaan optimoida myös resonaattorin avulla, ja sitä rajoittavat vain puolijohteen kidehilan (fononien) värähtelyt.

Mitä erottamattomampia ja puhtaampia tuotetut fotonit ovat, sitä pienempi on virheprosentti tiedonkäsittelyssä. Kvanttipisteitä pidetään lupaavana teknologiana tällaisten fotonien massatuotantoon.

Aiheesta aiemmin:

Kun valo "ajattelee" aivan kuin aivot

Yksittäisfotonien teknologia tukee kvanttitietoliikenneverkkoa

Fotonien uudet muodot optisille teknologioille