Grunden för dagens kommunikationsteknik är uppbyggd av ljus- och ljudvågor. Medan ljudvågor i nanoskala på halvledare bearbetar signaler vid gigahertz-frekvenser för trådlös överföring, skapar glasfibrer med laserljus World Wide Web.
En av de mest angelägna frågorna för framtiden är hur dessa teknologier kan utvidgas till kvantsystem för att bygga upp säkra (dvs. kvantkommunikation nätverk.
Ljuskvanta eller fotoner spelar en mycket central roll i utvecklingen av kvantteknologier.
Ett team av tyska och spanska forskare från Valencia, Münster, Augsburg, Berlin och München har framgångsrikt kontrollerat individuella ljuskvanta med extremt hög precision. Deras studie använder en ljudvåg för att byta individ fotoner på ett chip mellan två utgångar vid gigahertz-frekvenser.
Detta är första gången som forskare har demonstrerat en ny metod som kan användas för akustisk kvantteknologi eller komplexa integrerade fotoniska nätverk.
Fysikern Prof. Hubert Krenner, som leder studien i münster och Augsburg, sade, ”Vårt team har nu lyckats generera individuella fotoner på ett chip av storleken på en miniatyrbild och sedan kontrollera dem med oöverträffad precision, exakt klockade med hjälp av ljudvågor. "
Dr. Mauricio de Lima, som forskar vid universitetet i Valencia och koordinerar arbetet som görs där, tillägger, "Funktionsprincipen för vårt chip var känd för oss när det gäller konventionellt laserljus, men nu har vi, med ljuskvanta, lyckats göra det sedan länge efterlängtade genombrottet mot kvantteknologier. "
I studien tillverkade forskare ett chip med små "ledande banor" för ljuskvanta – så kallade vågledare. Dessa är ungefär 30 gånger tunnare än människohår. Chipet innehåller även kvantljuskällor, sk kvantprickar.
Dr Matthias Weiß från universitetet i Münster utförde de optiska experimenten och tillade: "Dessa kvantprickar, bara några nanometer stora, är öar inuti vågledarna som avger ljus som individuella fotoner. Kvantprickarna ingår i vårt chip, så vi behöver inte använda komplicerade metoder för att generera individuella fotoner med hjälp av en annan källa.”
Dr Dominik Bühler, som designade kvantchipsen som en del av sin doktorsexamen. vid universitetet i Valencia, påpekar hur snabb tekniken är: "Genom att använda ljudvågor i nanoskala kan vi direkt växla fotonerna på chipet fram och tillbaka mellan två utgångar med en aldrig tidigare skådad hastighet under deras utbredning i vågledarna."
Dr. Mauricio de Lima, med sikte på framtiden, sa, "Vi arbetar redan fullt ut för att förbättra vårt chip så att vi kan programmera fotonernas kvanttillstånd som vi vill eller till och med kontrollera flera fotoner med olika färger mellan fyra eller fler utgångar."
Prof. Hubert Krenner tillägger, "Vi drar nytta här av en unik styrka som våra ljudvågor i nanoskala har: eftersom dessa vågor sprider sig praktiskt taget förlustfritt på chipets yta, kan vi enkelt kontrollera nästan så många vågledare som vi vill med bara en enda våg - och till en extremt hög grad av precision.”
Tidskriftsreferenser:
- 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 and dynamic piezo-optomekanisk rotation av enstaka fotoner. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
