A szilikon chip kutatócsoportjának egyetlen fotonja új forrást fejlesztett ki
A Tejút családfája
A nanodiamandok teljesen integrált vezérlése
Kicsit közelebb a naphoz
Távolság a csillagoktól
Mitől ragyognak a csillagok
Egyirányú utca az elektronok számára
Új számban talált több száz példányt Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica-ból
Naprendszerünk kevesebb mint 200 000 év alatt alakult ki
Egészséges a Marson
Egyes fotonok a szilícium chipből: a kutatócsoport új típusú forrást fejleszt ki a kvantum fényrészecskék számára
Fizikai hírek 2020.09.15-től kvantumoptika
A kvantumtechnológia nagyon ígéretes: néhány év alatt a kvantum számítógépek forradalmasítják az adatbázis-kereséseket, az AI-rendszereket és a szimulációs számításokat. A kvantum kriptográfia ma is garantálhatja az adatátvitelt, amely korlátozásokkal ugyan, de teljesen biztonságos a lehallgatás ellen. Előnyt jelent, ha az új technológiák a lehető legnagyobb mértékben kompatibilisek a korábbi szilícium alapú elektronikával. A HZDR és a Drezdai TU fizikusai pontosan itt tettek figyelemre méltó haladást: A csapat szilíciumon alapuló fényforrást tervezett, amely egyedi fotonokat generál, amelyek jól szétterjedhetnek üvegszálakban.
A kvantumtechnika a kvantumrészecskék viselkedésének lehető legpontosabb szabályozásán alapul, például az egyes atomok mágneses csapdákba zárásával vagy az egyes fényrészecskék - úgynevezett fotonok - üvegszálakon keresztül történő elküldésével. Ez utóbbi a kvantum kriptográfia alapja, egy olyan kommunikációs típus, amely alapvetően biztonságos a lehallgatás ellen: ha egy adattolvaj elfogja a fotonokat, akkor óhatatlanul tönkreteszi azok kvantumtulajdonságait. Ez azonban nem marad rejtve az üzenet feladói és címzettjei előtt - időben elzárhatják a bizonytalanná vált átvitelt.
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. Astakhov Telekommunikációs egyfoton-kibocsátók izolálása szilíciumban a skálázható kvantumfotonikához Optics Express, 2020
Ehhez olyan fényforrásokra van szükség, amelyek egyedi fotonokat szállítanak. Ilyen rendszerek már léteznek, különösen azok, amelyek gyémántokon alapulnak. Van azonban egy hiányosságuk: "Ezek a gyémántforrások csak olyan frekvenciájú fotonokat képesek előállítani, amelyek nem alkalmasak száloptikai átvitelre" - magyarázza Dr. HZDR fizikus dr. Georgy Astakhov. „Ez a gyakorlati felhasználás jelentős korlátozása.” Tehát Asztakhov és csapata más anyagot vett fel - a bevált szilícium elektronikai alapanyagot.
100 000 egyetlen foton másodpercenként
Annak érdekében, hogy az anyag előállítsa a száloptikai kommunikációhoz szükséges infravörös fotonokat, a szakértők speciális kezelésnek vetették alá: A HZDR ionnyaláb-központból származó gyorsító segítségével célzottan szénnel lőtték a szilíciumot. Ez úgynevezett G-központokat hozott létre az anyagban - két szomszédos szénatomot, amelyek egy szilíciumatommal együtt egyfajta mesterséges atomot alkotnak.
Ha ezt a mesterséges atomot vörös lézerfénnyel besugározzák, akkor a kívánt infravörös fotonokat bocsátja ki 1,3 mikrométeres hullámhosszal - ez a frekvencia rendkívül alkalmas száloptikai átvitelre. "Prototípusunk másodpercenként 100 000 egyedi fotont képes előállítani" - számol be Asztakhov. "És stabilan működik, még néhány napos folyamatos üzem után sem észleltünk semmilyen romlást." A rendszer azonban csak extrém hidegben működik - a fizikusoknak folyékony héliummal kell hűteniük mínusz 268 Celsius fokos hőmérsékletre.
"Először tudtuk megmutatni, hogy szilikon alapú egyfoton forrás lehetséges" - mondja Asztakhov kollégája, dr. Yonder Berencén. „Ez alapvetően megvalósíthatóvá teszi az ilyen források integrálását más optikai alkatrészekkel egy chipen.” Többek között érdemesnek tűnik az új fényforrást úgynevezett rezonátorral párosítani. Ez megoldhatja a következő problémát: Eddig az infravörös fotonok nagyrészt véletlenül származnak a forrásból. A kvantumkommunikációban történő felhasználáshoz azonban szükségesnek kellene lennie a fotonok igény szerinti előállítására.
Fényforrás egy chipen
A kutatók úgy hangolhatják ezt a rezonátort, hogy pontosan eltalálja a fényforrás hullámhosszát. Ez lehetővé tenné a keletkező fotonok számának annyira megnövekedését, hogy bármikor rendelkezésre álljanak. "Már bebizonyosodott, hogy az ilyen rezonátorok szilíciumba építhetők" - számol be Berencén. „A még hiányzó kapcsolat szilícium alapú forrás volt az egyes fotonok számára. És pontosan ezt tudtuk most megvalósítani. "
De mielőtt a gyakorlati alkalmazásra gondolnának, a HZDR kutatóinak még számos problémát meg kell oldaniuk - például az új távközlési egyetlen fotonforrások célzottabb előállítását. "Ehhez meg akarjuk próbálni a korábbinál pontosabban beültetni a szenet a szilíciumba" - magyarázza Georgy Astakhov. "Az ionnyaláb-központjával a HZDR ideális infrastruktúrával rendelkezik az ilyen ötletek valóra váltásához."