Sursă nouă pentru particulele de lumină cuantice

Tehnologia cuantică are o mare promisiune: la doar câțiva ani de acum înainte, computerele cuantice vor revoluționa căutările în baze de date, sistemele AI și simulările de calcul. Astăzi deja, criptografia cuantică poate garanta un transfer de date absolut sigur, deși cu limitări. Cea mai mare compatibilitate posibilă cu electronica noastră actuală bazată pe siliciu va fi un avantaj cheie. Și tocmai acolo fizicienii de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) și TU Dresden au făcut progrese remarcabile: echipa a proiectat o sursă de lumină pe bază de siliciu pentru a genera fotoni unici care se propagă bine în fibrele de sticlă.

fotoni

Tehnologia cuantică se bazează pe capacitatea de a controla comportamentul particulelor cuantice cât mai precis posibil, de exemplu prin blocarea atomilor individuali în capcane magnetice sau prin trimiterea particulelor de lumină individuale - numite fotoni - prin fibrele de sticlă. Aceasta din urmă stă la baza criptografiei cuantice, o metodă de comunicare care este, în principiu, rezistentă la atingere: Orice potențial hoț de date care interceptează fotonii le distruge inevitabil proprietățile cuantice. Expeditorii și receptorii mesajului vor observa acest lucru și pot opri transmiterea compromisă în timp.

Acest lucru necesită surse de lumină care furnizează fotoni unici. Astfel de sisteme există deja, în special pe bază de diamante, dar au un singur defect: „Aceste surse de diamante pot genera fotoni doar la frecvențe care nu sunt potrivite pentru transmiterea fibrei optice”, explică fizicianul HZDR Dr. Georgy Astakhov. „Ceea ce reprezintă o limitare semnificativă pentru utilizarea practică”. Așadar, Astakhov și echipa sa au decis să folosească un material diferit - materialul electronic de bază, siliciu.

100.000 de fotoni unici pe secundă

Pentru a face ca materialul să genereze fotonii în infraroșu necesari pentru comunicarea cu fibră optică, experții l-au supus unui tratament special, împușcând selectiv carbonul în siliciu cu un accelerator la HZDR Ion Beam Center. Acest lucru a creat ceea ce se numește centre G în material - doi atomi de carbon adiacenți cuplați la un atom de siliciu formând un fel de atom artificial.

Atunci când este radiat cu lumină roșie laser, acest atom artificial emite fotonii infraroșii doriți la o lungime de undă de 1,3 micrometri, o frecvență excelentă pentru transmiterea fibrelor optice. "Prototipul nostru poate produce 100.000 de fotoni unici pe secundă", relatează Astakhov. "Și este stabil. Chiar și după câteva zile de funcționare continuă, nu am observat nicio deteriorare." Cu toate acestea, sistemul funcționează numai în condiții extrem de reci - fizicienii folosesc heliu lichid pentru a-l răci până la o temperatură de minus 268 grade Celsius.

„Am putut arăta pentru prima dată că este posibilă o sursă de foton unic pe bază de siliciu”, a spus colegul lui Astakhov, Dr. Acolo Berencén este fericit să raporteze. „Acest lucru face practic posibilă integrarea unor astfel de surse cu alte componente optice pe un cip.” Printre altele, ar fi de interes să cuplăm noua sursă de lumină cu un rezonator pentru a rezolva problema că fotonii cu infraroșu ies în mare parte din sursă aleatoriu. Pentru utilizarea în comunicarea cuantică, totuși, ar fi necesar să se genereze fotoni la cerere.

Sursă de lumină pe un cip

Acest rezonator ar putea fi reglat pentru a atinge exact lungimea de undă a sursei de lumină, ceea ce ar face posibilă creșterea numărului de fotoni generați până la punctul în care sunt disponibili la un moment dat. „S-a dovedit deja că astfel de rezonatoare pot fi construite din siliciu”, raportează Berencén. "Legătura lipsă a fost o sursă bazată pe siliciu pentru fotoni unici. Și exact asta am putut crea acum."

Dar, înainte de a putea lua în considerare aplicații practice, cercetătorii HZDR mai trebuie să rezolve unele probleme - cum ar fi o producție mai sistematică a noilor surse de telecomunicații cu un singur foton. „Vom încerca să implantăm carbonul în siliciu cu o precizie mai mare”, explică Georgy Astakhov. „HZDR cu centrul său Ion Beam oferă o infrastructură ideală pentru realizarea unor idei de acest gen.”