Grundlaget for den nuværende kommunikationsteknologi består af lys- og lydbølger. Mens lydbølger i nanoskala på halvledere behandler signaler ved gigahertz-frekvenser til trådløs transmission, skaber glasfibre med laserlys World Wide Web.
Et af de mest presserende spørgsmål for fremtiden er, hvordan disse teknologier kan udvides til kvantesystemer for at opbygge sikre (dvs. trykfri) kvantekommunikation netværk.
Lyskvanter eller fotoner spiller en meget central rolle i udviklingen af kvanteteknologier.
Et team af tyske og spanske forskere fra Valencia, Münster, Augsburg, Berlin og München har med succes kontrolleret individuelle lyskvanter med en ekstrem høj grad af præcision. Deres undersøgelse bruger en lydbølge til at skifte individ fotoner på en chip mellem to udgange ved gigahertz-frekvenser.
Det er første gang, at forskere har demonstreret en ny metode, der kan bruges til akustiske kvanteteknologier eller komplekse integrerede fotoniske netværk.
Fysiker prof. Hubert Krenner, der leder undersøgelsen i Münster og Augsburg sagde, ”Vores team er nu lykkedes med at generere individuelle fotoner på en chip på størrelse med et miniaturebillede og derefter kontrollere dem med hidtil uset præcision, præcist clocket vha. lydbølger".
Dr. Mauricio de Lima, som forsker ved universitetet i Valencia og koordinerer det arbejde, der udføres der, tilføjer, ”Det funktionelle princip for vores chip var kendt af os med hensyn til konventionelt laserlys, men nu er det med lyskvanter lykkedes at få det længe ønskede gennembrud i forhold til kvanteteknologier".
I undersøgelsen fremstillede forskere en chip med små 'ledende baner' for lyskvanter - såkaldte bølgeledere. Disse er cirka 30 gange tyndere end menneskehår. Chippen indeholder også kvantelyskilder, såkaldte kvantepunkter.
Dr. Matthias Weiß fra universitetet i Münster udførte de optiske eksperimenter og tilføjede: "Disse kvanteprikker, kun et par nanometer store, er øer inde i bølgelederne, som udsender lys som individuelle fotoner. Kvanteprikkerne er inkluderet i vores chip, så vi behøver ikke bruge komplicerede metoder til at generere individuelle fotoner ved hjælp af en anden kilde.”
Dr. Dominik Bühler, der designede kvantechipsene som en del af sin ph.d. på University of Valencia, påpeger, hvor hurtig teknologien er: "Ved at bruge lydbølger i nanoskala kan vi direkte skifte fotonerne på chippen frem og tilbage mellem to output med en hidtil uset hastighed under deres udbredelse i bølgelederne."
Dr. Mauricio de Lima sagde med henblik på fremtiden, "Vi arbejder allerede på at forbedre vores chip, så vi kan programmere fotonernes kvantetilstand, som vi ønsker, eller endda kontrollere flere fotoner med forskellige farver mellem fire eller flere output."
Prof. Hubert Krenner tilføjer, "Vi nyder her af en unik styrke, som vores nanoskala lydbølger har: da disse bølger forplanter sig stort set tabsfrit på overfladen af chippen, kan vi pænt kontrollere næsten lige så mange bølgeledere, som vi ønsker, med kun en enkelt bølge - og til en ekstremt høj grad af præcision."
Journalreferencer:
- Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline DS Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., HJ Krenner (2022): On-chip generation og dynamisk piezo-optomekanisk rotation af enkelte fotoner. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
