Nonlinear Optical Quantum Communication with a Two-Dimensional Perovskite Light Source
Diese Arbeit demonstriert ein Proof-of-Principle-Quantenkommunikationsprotokoll unter Verwendung einer zweidimensionalen organisch-anorganischen Hybrid-Perowskit-Lichtquelle, bei dem Informationen über nichtlineare optische Phänomene und Exzitonen-Spindynamik in die Polarisationszustände emittierter Photonen kodiert wurden, um erfolgreich eine 56-Bit-ASCII-Nachricht zu übertragen.
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Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine geheime Nachricht mit einer Taschenlampe an einen Freund zu senden. In der Welt der Quantenkommunikation ist diese „Taschenlampe“ nicht nur ein Lichtstrahl; sie ist ein Strom einzelner Teilchen, die man Photonen nennt. Um Ihre Nachricht vor Lauschern zu schützen, kodieren Sie Informationen in die Art und Weise, wie diese Photonen rotieren oder wackeln – eine Eigenschaft, die Physiker als „Polarisation“ bezeichnen. Normalerweise müssen Sie, um dieses Wackeln zu verändern, spezielle Glasfilter oder Spiegel vor das Licht schieben, so wie ein DJ, der eine Schallplatte dreht, um den Beat zu ändern. Aber was wäre, wenn die Lichtquelle selbst ihre eigenen Tanzschritte ändern könnte? Das ist die große Frage, die diese Forschung untersucht. Sie erforscht eine neue Art von Material, das wie eine winzige, Hochgeschwindigkeits-Bühne fungiert, auf der Lichtteilchen ganz natürlich auf komplexe Weise rotieren und wackeln, was potenziell ermöglicht, geheime Codes zu senden, ohne eine Menge externer Geräte zur Steuerung zu benötigen.
Die Wissenschaftler in dieser Studie arbeiten mit einem Material namens zweidimensionalem organisch-anorganischem Hybrid-Perowskit. Stellen Sie sich dieses Material als mikroskopisches Sandwich aus Schichten von Blei und Iod vor, die durch organische „Abstandsschichten“ getrennt sind. In diesem Sandwich entstehen, wenn man es mit einem Laser beschießt, winzige Energiepakete, sogenannte Exzitonen. Diese Exzitonen besitzen einen „Spin“, der wie ein winziger interner Kompasszeiger ist. Die Forscher fanden heraus, dass sie, wenn sie dieses Material mit einem speziellen Typ von Laserpuls beschießen, eine Menge dieser rotierenden Exzitonen erzeugen können. Dieser „Crowd“ ist jedoch chaotisch; die Spins drehen und kippen unglaublich schnell um und pendeln sich in weniger als einer hundert Quadrillionstel Sekunde (100 Femtosekunden) ein. Dieses schnelle Einpendeln, oder die „Spin-Relaxation“, ist für andere Arten von Technologie normalerweise ein Ärgernis, aber hier erkannten die Forscher, dass es ein einzigartiges, sich verschiebendes Muster in dem Licht erzeugt, das von dem Material reflektiert wird.
In dieser Arbeit haben die Forscher, unter der Leitung von Shuyue Feng und Andrew M. Moran an der University of North Carolina, demonstriert, wie man dieses chaotische, schnell rotierende Licht nutzt, um eine geheime Nachricht zu senden. Anstatt externe Spiegel zu verwenden, um die Polarisation des Lichts zu verändern, überlassen sie der eigenen internen Physik des Materials die Arbeit. Sie bauten ein Experiment auf, bei dem sie Laserpulse auf eine dünne Schicht ihres Perowskit-Materials feuerten. Durch die sorgfältige Zeitsteuerung der Pulse und die Beobachtung, wie das Licht zurückgeworfen wurde, konnten sie verfolgen, wie sich der „Spin“ des Lichts von einer ovalen Form (elliptisch) zu einer geraden Linie (linear) veränderte, während sich die Exzitonen einpendelten.
Das Team entdeckte, dass sie, indem sie ihre Detektoren auf eine bestimmte Farbe des Lichts abstimmten – speziell auf das Licht, das von einem speziellen Zustand namens „Biexciton“ (was wie zwei Händchen haltende Exzitonen ist) emittiert wird –, einen riesigen Unterschied in der Polarisation des Lichts sehen konnten, abhängig davon, wie viel Zeit seit dem Laserbeschuss vergangen war. Ganz am Anfang (0 Femtosekunden) war das Licht sehr „oval“ und horizontal. Doch nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde später (500 Femtosekunden) wurde es perfekt gerade und vertikal. Dieser dramatische Wechsel ermöglichte es ihnen, einen Code zu erstellen: „horizontal/oval“ bedeutete die Zahl 1, und „vertikal/gerade“ bedeutete die Zahl 0.
Um zu beweisen, dass dies funktionierte, schickten sie nicht nur ein paar Blitze; sie schickten eine vollständige Nachricht. Sie kodierten den Satz „Tar Heel“ (der Spitzname der Sportteams der University of North Carolina) in eine 56-Bit-Binärsequenz unter Verwendung des ASCII-Systems. Sie feuerten den Laser ab, ließen das Material seinen Spin-Tanz aufführen und nutzten dann extrem empfindliche Detektoren, um die einzelnen Photonen zu zählen. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Indem sie die spezifische Zeitsteuerung und die „Biexciton“-Farbe des Lichts verwendeten, konnten sie die Nachricht erfolgreich entschlüsseln, wobei sie nur etwa 10 Photonen pro Bit benötigten. Im Gegensatz dazu hätten sie, wenn sie versucht hätten, die Nachricht mit einer anderen Lichtfarbe oder ohne diesen speziellen Zeitsteuerungstrick zu senden, mehr als 50 Photonen pro Bit benötigt, um sicher zu sein.
Die Arbeit zeigt explizit auf, dass diese Methode auf der intrinsischen elektronischen Struktur des Materials und der natürlichen Geschwindigkeit, mit der die Spins relaxieren, beruht und nicht auf externen optischen Elementen zur Manipulation des Lichtzustands. Sie argumentieren gegen die Vorstellung, dass man immer komplexe externe Maschinen benötigt, um Quantenlichtzustände für die Kommunikation zu steuern. Stattdessen schlagen sie vor, dass das Material selbst der Encoder sein kann. Obwohl sie anmerken, dass ihre aktuelle Lichtquelle ein „schwacher kohärenter Puls“ (ein sehr schwacher Laser) und kein perfekter Maschine für ein Photon nach dem anderen ist, demonstrieren sie, dass ihre Methode robust genug ist, um auch mit diesen Pulsen zu funktionieren, wobei nur Dutzende von Photonen benötigt werden, um einen sicheren Schlüssel zu etablieren. Diese Arbeit deutet auf einen neuen, effizienteren Weg für die Quantenkommunikation hin, bei dem die eigenen schnelllebigen internen Dynamiken des Materials zum Motor für das Senden geheimer Codes werden.
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