A photonic source with half-a-GHz single-photon flux
Dit artikel rapporteert een deterministische enkelvoudige fotonbron die een in-fiber enkelvoudige fotonflux van meer dan 500 MHz bereikt met meer dan 100 pW aan optisch vermogen door hoge excitatiesnelheden te combineren met een hoge systeemefficiëntie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In het domein van de kwantumtechnologie is het vermogen om licht te genereren één deeltje tegelijk een fundamentele vereiste voor het bouwen van beveiligde communicatienetwerken en krachtige nieuwe computers. Deze individuele lichtdeeltjes, bekend als fotonen, fungeren als dragers van informatie die niet gekopieerd of onderschept kunnen worden zonder detectie. Echter, voor deze systemen om effectief te werken, moet de bron van deze fotonen zowel puur als snel zijn. Zuiverheid zorgt ervoor dat het apparaat exact één foton tegelijk uitzendt, in plaats van een willekeurige uitbarsting van vele, terwijl snelheid bepaalt hoeveel informatie er in een gegeven moment verzonden kan worden. Hoe sneller de bron deze enkelvoudige deeltjes kan produceren, hoe praktischer de technologie wordt voor echt wereldgebruik, waarbij de stap wordt gezet van trage laboratoriumexperimenten naar hoogwaardige gegevensoverdracht.
Een team van onderzoekers heeft nu de grenzen van deze snelheid opgezocht door een apparaat te creëren dat een stroom enkelvoudige fotonen genereert met een snelheid die de 500 miljoen per seconde overstijgt. Deze prestatie vertegenwoordigt de hoogste flux van enkelvoudige fotonen die ooit gerapporteerd is van een vastestofbron. De onderzoekers bereikten dit door een continue laserstraal te nemen en deze in extreem korte, precieze pulsen te snijden. Vervolgens gebruikten ze deze pulsen om een minuscule halfgeleiderstructuur, een zogenaamde quantumdot, aan te slaan, die fungeert als een kunstmatig atoom. Wanneer de quantumdot wordt geraakt door de laserpuls, absorbeert deze de energie en zendt deze onmiddellijk weer uit als een enkelvoudig foton. Door dit proces een half miljard keer per seconde te herhalen, creëerde het team een constante, hogesnelheidsstroom van licht die krachtig genoeg is om direct met standaardapparatuur gemeten te worden.
De sleutel tot deze hoge snelheid ligt in de manier waarop de onderzoekers het laserlicht voorbereidden. In plaats van een laser te gebruiken die van nature pulseert, begonnen ze met een constante, continue straal en gebruikten ze elektronische schakelaars om korte lichtflitsen uit te hakken. Deze flitsen werden met extreme precisie getimed, waardoor de onderzoekers precies konden controleren wanneer elke puls arriveerde. Ze testten dit systeem op verschillende snelheden en dreven de quantumdot uiteindelijk aan met een snelheid van één miljard pulsen per seconde. Bij deze snelheid wordt de quantumdot alweer aangestoten voordat hij volledig klaar is met het uitzenden van het vorige foton, wat een situatie creëert waarin de signalen beginnen te overlappen. Ondanks deze drukte behield het systeem een hoog kwaliteitsniveau en leverde het succesvol meer dan 500 miljoen enkelvoudige fotonen per seconde in een optische vezel.
Om de prestaties van hun bron te verifiëren, mat het team de lichtopbrengst met een standaard vermogensmeter, een apparaat dat veelvoorkomend in laboratoria wordt gebruikt voor het meten van lichtintensiteit. Deze aanpak bood een directe en eenvoudige manier om de efficiëntie van hun systeem te berekenen zonder dat er complexe, gespecialiseerde detectoren nodig waren. Ze ontdekten dat de bron bij hun hoogste operationele snelheid een optisch vermogen van meer dan 100 picowatt leverde. Dit mag misschien als een piepkleine hoeveelheid energie klinken, maar voor een stroom van enkelvoudige fotonen is het een aanzienlijke hoeveelheid die bevestigt dat het apparaat met een hoge efficiëntie werkt. De metingen toonden aan dat het systeem een efficiëntie van meer dan 50 procent behield, wat betekent dat meer dan de helft van de door de quantumdot gegenereerde fotonen succesvol in de glasvezelkabel terechtkwam voor gebruik.
De onderzoekers onderzochten ook de kwaliteit van de fotonen om te verzekeren dat ze geschikt waren voor geavanceerde kwantumtoepassingen. Ze controleerden of het licht inderdaad in enkelvoudige pakketjes kwam en dat de fotonen ononderscheidbaar van elkaar waren, een eigenschap die vereist is voor kwantumcomputers om berekeningen uit te voeren. Hoewel de kwaliteit bij toenemende snelheid licht afnam door het overlappen van signalen, bleven de resultaten robuust. Het team demonstreerde dat de bron, zelfs bij deze extreme snelheden, fotonen kon produceren met de noodzakelijke zuiverheid en ononderscheidbaarheid voor veel praktische taken. Dit werk suggereert dat het simpelweg verhogen van de snelheid van de laserpulsen mogelijk is om enorme hoeveelheden kwantumlucht te genereren zonder de fundamentele eigenschappen die het nuttig maken op te offeren.
Deze doorbraak biedt een nieuw pad voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën die hoge datasnelheden vereisen. Omdat de bron genoeg licht produceert om met standaardapparatuur gemeten te worden, vereenvoudigt dit het proces van het karakteriseren en kalibreren van deze apparaten. Het vermogen om een dergelijke hoge flux van enkelvoudige fotonen te genereren, opent de deur naar complexere experimenten in kwantumsimulatie en zou als een betrouwbare standaard kunnen dienen voor het meten van licht in de metrologie. Door te bewijzen dat een vastestofbron op gigahertz-snelheden kan werken met behoud van een hoge efficiëntie, hebben de onderzoekers een cruciale component geleverd voor de volgende generatie kwantuminformatiesystemen, waarmee de belofte van ultrasnelle kwantumcommunicatie dichter bij de realiteit wordt gebracht.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.