Grunnlaget for dagens kommunikasjonsteknologi består av lys- og lydbølger. Mens lydbølger i nanoskala på halvledere behandler signaler ved gigahertz-frekvenser for trådløs overføring, skaper glassfibre med laserlys World Wide Web.
Et av de mest presserende spørsmålene for fremtiden er hvordan disse teknologiene kan utvides til kvantesystemer for å bygge opp sikre (dvs. trykkfritt) kvantekommunikasjon nettverk.
Lyskvanter eller fotoner spiller en svært sentral rolle i utviklingen av kvanteteknologier.
Et team av tyske og spanske forskere fra Valencia, Münster, Augsburg, Berlin og München har med suksess kontrollert individuelle lyskvanter til en ekstremt høy grad av presisjon. Studien deres bruker en lydbølge for å bytte individ fotoner på en brikke mellom to utganger ved gigahertz-frekvenser.
Dette er første gang at forskere har demonstrert en ny metode som kan brukes til akustiske kvanteteknologier eller komplekse integrerte fotoniske nettverk.
Fysiker prof. Hubert Krenner, som leder studien i Münster og Augsburg, sa, «Teamet vårt har nå lykkes med å generere individuelle fotoner på en brikke på størrelse med et miniatyrbilde og deretter kontrollere dem med enestående presisjon, nøyaktig klokket ved hjelp av lydbølger».
Dr. Mauricio de Lima, som forsker ved Universitetet i Valencia og koordinerer arbeidet som gjøres der, legger til: "Funksjonsprinsippet til brikken vår var kjent for oss når det gjaldt konvensjonelt laserlys, men nå har vi, ved hjelp av lyskvanter, lykkes med å få det lenge etterlengtede gjennombruddet mot kvanteteknologier».
I studien produserte forskere en brikke med små "ledende baner" for lyskvanter - såkalte bølgeledere. Disse er omtrent 30 ganger tynnere enn menneskehår. Brikken inneholder også kvantelyskilder, såkalte kvantepunkter.
Dr. Matthias Weiß fra University of Münster utførte de optiske eksperimentene og la til: "Disse kvanteprikkene, bare noen få nanometer i størrelse, er øyer inne i bølgelederne som sender ut lett som individuelle fotoner. Kvanteprikkene er inkludert i brikken vår, så vi trenger ikke bruke kompliserte metoder for å generere individuelle fotoner ved hjelp av en annen kilde."
Dr. Dominik Bühler, som designet kvantebrikkene som en del av sin Ph.D. ved University of Valencia, påpeker hvor rask teknologien er: "Ved å bruke nanoskala lydbølger kan vi direkte bytte fotonene på brikken frem og tilbake mellom to utganger med en enestående hastighet under deres forplantning i bølgelederne."
Dr. Mauricio de Lima, med tanke på fremtiden, sa, "Vi jobber allerede fullt ut for å forbedre brikken vår slik at vi kan programmere kvantetilstanden til fotonene slik vi ønsker eller til og med kontrollere flere fotoner med forskjellige farger mellom fire eller flere utganger."
Prof. Hubert Krenner legger, "Vi drar nytte av en unik styrke som våre nanoskala lydbølger har: ettersom disse bølgene forplanter seg praktisk talt tapsfritt på overflaten av brikken, kan vi pent kontrollere nesten så mange bølgeledere som vi vil med bare en enkelt bølge - og til en ekstremt høy grad av presisjon."
Tidsskriftreferanser:
- Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline D. S. Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., H. J. Krenner (2022): On-chip generasjon og dynamisk piezo-optomekanisk rotasjon av enkeltfotoner. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
