Już sama nazwa może dziwić – bo kropka kwantowa wcale nie musi… mieć okrągłego kształtu. Równie dobrze można ją wytworzyć w formie soczewki, piramidy czy stożka. Ma to spore znaczenie, jako że kształt i rozmiar decydują o jej właściwościach. A te są wyjątkowe! Dlatego pracują nad nimi ośrodki naukowe na całym świecie, w tym i nasze zespoły badawcze.

Nazywane są sztucznymi atomami ze względu na podobieństwo ich własności do naturalnych atomów. Kropkę kwantową – jak tłumaczy dr inż. Anna Musiał z Katedry Fizyki Doświadczalnej – najłatwiej wyobrazić sobie jako sześcienne pudełko, w którym uwięziony jest elektron – jego ruch ograniczony jest we wszystkich trzech kierunkach, a energie, jakie może przyjmować, zależą od rozmiarów pudełka. Im mniejsze pudełko, tym energia elektronu wyższa.

Dr Musiał to jedna z wielu badaczek i badaczy na Politechnice Wrocławskiej, którzy na co dzień zajmują się obliczeniami i eksperymentami związanymi z badaniem fizyki kropek kwantowych, rozwijaniem technologii je wykorzystujących lub wytwarzaniem samych kropek. W tym roku stała się także ambasadorką kropki kwantowej, popularyzującą wiedzę na jej temat – jako osoba zaangażowana w projekt QuanTour.

Ta inicjatywa to wyjątkowa podróż kropki kwantowej zamkniętej w specjalnej walizce, która odwiedza 12 europejskich krajów i w każdym jest badana. A wszystkiemu towarzyszą wykłady, warsztaty i spotkania dla osób, które chcą się dowiedzieć więcej – nie tylko o samej kropce, ale i o mechanice kwantowej i nanotechnologii. Na popularyzatorskie prelekcje, zwiedzanie naszych laboratoriów i demonstrację emisji pojedynczych fotonów przez półprzewodnikową kropkę kwantową zapraszamy także na PWr w czasie „Quantum Dot Day” 11 marca 2025. 

Dlaczego taka wyjątkowa?

Kropka kwantowa jest mikroskopijna – ma rozmiar rzędu miliardowych części metra. Zamknięte w jej wnętrzu elektrony przebywają tylko w stanach o określonych energiach i wytwarzając taką kropkę, możemy dokładnie zaplanować, jakie to będą energie.

– Jeśli porównamy kropkę kwantową do zwykłego atomu, to łatwo będzie nam zrozumieć, na czym polega jej wyjątkowość – podkreśla dr Musiał. – Każdy atom danego rodzaju jest identyczny i ma konkretne właściwości, których nie możemy kontrolować. W atomie elektron może przyjmować tylko ściśle określone energie. Nie jesteśmy w stanie tego zmienić. Tymczasem w przypadku kropki kwantowej możemy ją zaprojektować i wytworzyć tak, by miała wybrany przez nas układ poziomów energetycznych. Czyli możemy tak manipulować jej kształtem, rozmiarem i strukturą, by osiągnąć takie właściwości, jakich potrzebujemy.

Kropki, które świecą

Jakie to właściwości? Gdy w 2024 r. Komisja Noblowska ogłaszała laureatów Nobla z chemii, jej przewodniczący, szwedzki biochemik Johan Aqvist postawił przed sobą pięć kolb wypełnionych kolorowymi świecącymi płynami. Były to zawiesiny z kropkami kwantowymi. Świeciły, bo kropki kwantowe fluoryzują, czyli pochłaniają światło i emitują je w jednym – wybranym przez nas – kolorze. Są więc m.in. doskonałymi emiterami, źródłami światła.

Już korzystamy z tego na co dzień – choćby w ekranach komputerów i telewizorach QLED, które mają warstwy kropek kwantowych jako filtr zwiększający intensywność kolorów przy zachowaniu dużego poziomu jasności. A to tylko ułamek możliwych zastosowań.

Naukowcy pracują już choćby nad wykorzystaniem świecenia kropek kwantowych np. w medycynie, a konkretnie w diagnostyce obrazowej. Mogą tam służyć jako znaczniki komórek i pomagać w wykrywaniu np. rozprzestrzeniania się nowotworów czy wędrówki wirusów. Badania w tym zakresie trwają także na Politechnice Wrocławskiej – we współpracy z lekarzami sprawdzamy, czy aby takie kropki wprowadzone do organizmu nie będą działać toksycznie na otoczenie i jak reagują na jego parametry jak np. pH*.

Telekomunikacja i kryptografia

Medycyna to jedno, ale sporo potencjalnych możliwości kropka kwantowa obiecuje także w inżynierii. Naukowcy pracują np. nad wykorzystaniem kropek kwantowych do budowy miniaturowych laboratoriów, tzw. lab on chip.

Takie układy laboratoryjne ze źródłem światła w postaci kropki kwantowej, detektorem, prowadzeniem światła i różnymi podzespołami mogą mieścić się na niewielkim chipie (co ma znaczenie tam, gdzie każdy milimetr miejsca jest na wagę złota). Na PWr badania z tym związane prowadzi, np. dr. hab. inż. Marcin Syperek, prof. uczelni  i jego grupa**.  Zamierzają stworzyć uniwersalny kwantowy fotoniczny układ scalony kompatybilny z istniejącą infrastrukturą światłowodową. Miałby łączyć w sobie wiele funkcjonalności – takich jak emisja pojedynczych fotonów i par splątanych fotonów na żądanie oraz ich wydajna detekcja. Dzięki temu znajdzie zastosowanie w wielu obszarach kwantowej komunikacji, obliczeń czy metrologii, jak np. kwantowa dystrybucja klucza kryptograficznego, zdalne obliczenia kwantowe czy synchronizacja zegarów atomowych poprzez kwantowe splątanie.  

– Innym kierunkiem badań są zastosowania kropek kwantowych w przesyłaniu informacji, a zatem w telekomunikacji czy kryptografii kwantowej, nad czym także pracują różne zespoły badawcze na naszym wydziale – opowiada dr Musiał. – W tym przypadku zmuszamy kropkę kwantową do emitowania fotonów w konkretnym stanie, np. pojedynczych, nierozróżnialnych fotonów czy splątanych fotonów. Możemy wykorzystać je, np. do przesyłania w sposób bezpieczny klucza kryptograficznego. Kanałem transmisyjnym jest w takiej sytuacji światłowód, a emiterem kropka kwantowa. Jeśli klucz do dekodowania informacji zostałby przechwycony, od razu będziemy o tym wiedzieć. Tłumacząc to najprościej: zauważymy, że ktoś zabierze nam taki jeden foton. A gdyby nawet ktoś próbował tylko go zmierzyć, także to wykryjemy, bo jego stan się zmieni i od razu to wychwycimy.

Badaczka dodaje, że aby takie rozwiązanie stało się użyteczne (czyli mogło zostać zastosowane nie tylko w laboratoriach), konieczne są m.in. modyfikacje własności kropek kwantowych, żeby wytwarzały jak najczęściej sygnał z kropki (czyli emitowały fotony z jak największą częstotliwością), rozwijanie bardzo czułych detektorów, które będą w stanie wychwycić pojedyncze fotony oraz miniaturyzacja całego takiego układu i trwałe połączenie emitera ze światłowodem***. Stąd wielomiesięczne (i często międzynarodowe) prace w zespole prof. Grzegorza Sęka****, m. in. w projektach badawczych dr Musiał*****.

– Chcemy przy wykorzystaniu kropek kwantowych przesyłać informacje na duże odległości. W przypadku światłowodów najmniejsze straty występują w tzw. oknach telekomunikacyjnych – przy długości fali 1550 nanometrów i 1310 nanometrów – opowiada dr Musiał. – Dążymy więc do tego, żeby we współpracy z zagranicznymi partnerami opracować kropki, które będą emitować fale w tym zakresie. Takie długości fali mogą być też atrakcyjne w kontekście przesyłania informacji w atmosferze, do satelity i z powrotem.

Rozmiar (i kształt) ma znaczenie!

Jednocześnie naukowcy rozwijają też metody samego wytwarzania kropek kwantowych – bo od sposobu ich wytworzenia i użytych materiałów zależą ich właściwości. Już samo manipulowanie rozmiarem zmienia ich zachowanie i charakterystyki – ich własności optyczne, magnetyczne, elektryczne czy chemiczne. Wpływ na nie mają też kształt kropki. Możliwości są więc w zasadzie nieograniczone.

Jak wyjaśnia dr Musiał, technologie wytwarzania kropek można podzielić na dwie grupy: „bottom up”, czyli budowanie „od zera” z atomów i „top down”, a zatem podejście polegające na pozbywaniu się nadmiarowego materiału, by ostatecznie doprowadzić do powstania kropki.

– Te, którymi zajmujemy się w naszym zespole, powstają tzw. metodami epitaksjalnymi, czyli podejściem bottom up – opowiada dr Musiał. – Polegają one na tym, że wybrany materiał będący podłożem, podgrzewa się w reaktorze w warunkach próżniowych i warstwa po warstwie nanosi inne materiały. My badamy akurat m.in. struktury na bazie fosforku indu i arsenku galu, a ostatnio także antymonku galu. Te ostatnie wytwarzają nasi partnerzy z konsorcjum w laboratorium w Finlandii, i to są kropki, nad którymi pracujemy w dużym międzynarodowym zespole w kontekście rozwiązań telekomunikacyjnych*****.

Kropki można wytwarzać także np. elektrostatycznie, sterując polem elektrycznym w taki sposób, żeby uwięzić elektrony, albo poprzez syntezę fizykochemiczną. W tym drugim sposobie na naszej uczelni specjalizuje się zespół prof. Artura Podhorodeckiego, także z Katedry Fizyki Doświadczalnej, na bazie którego rozwinął się także start-up QNA Technology. Grupa pracuje nad syntezowaniem i funkcjonalizowaniem oraz badaniem koloidalnych kropek kwantowych do zastosowań w optoelektronice i modułach fotowoltaicznych. Rozwija też technologie wykorzystujące kropkowe nanomateriały przeznaczone do wyświetlaczy, oświetlenia LED, fotoniki czy drukowanej optoelektroniki.

– Tylko w Europie działa kilkadziesiąt zespołów, które na co dzień zajmują się badaniami związanymi z emiterami kwantowymi, a kilkanaście z nich stawia na rozwiązania na bazie kropek kwantowych. Jest to więc bardzo aktualny temat z ogromnym potencjałem rozwojowym – podkreśla dr Musiał. – Trochę jest tak, że ścigamy się, komu jako pierwszemu uda się opracować nowe, lepsze rozwiązania bazujące na kropkach kwantowych, konkurencyjne wobec innych sposobów generowania fotonów atrakcyjnych z punktu widzenia zastosowań.

Oprócz wspomnianych wcześniej potencjalnych zastosowań badacze widzą przyszłość kropek kwantowych także w rozwoju tzw. kwantowego przetwarzania informacji (czyli obliczeniach kwantowych, bo określone zadania obliczeniowe mogą zostać wykonane efektywniej dzięki algorytmom wykorzystującym kwantowość układów), generatorów liczb losowych, metrologii, obrazowania, giętkiej (elastycznej) elektroniki, bardzo małych czujników czy cienkich ogniw solarnych.

* Mowa m.in. o projekcie „Synthesis of Inorganic Nanocrystals doped by Lanthanide ions for Bio-Medical Applications (SINDBAd)” (2011-2014).

** Badania w zakresie zintegrowanych układów fotonicznych prowadzi dr hab. inż. Marcin Syperek, prof. uczelni  i jego grupa. Chodzi m.in. o projekty HORIZON2020 (UE) 2023-2027: Quantum photonic integrated circuits at 1550 nm (kierownik projektu - prof. Syperek), Sonata Bis (NCN) 2024-2027: Integrated quantum photonics on a hybrid InP/SiO2 platform (kierownik projektu - dr inż. Paweł Mrowiński) czy Sonata (NCN) 2021-2024: Heterogeneous waveguide structures on the Si platform with InAs/InP quantum dots emitting in the 1.55 μm spectral range for application in scalable photonic circuits (kierownik projektu - dr inż. Paweł Mrowiński).

***Interesujące badania w tym zakresie prowadzi m.in. dr inż. Kinga Żołnacz z Katedry Optyki i Fotoniki na W11. Jej metoda polega na zlokalizowaniu struktury na powierzchni próbki metodą interferometryczną, a następnie na trwałym połączeniu światłowodu z emiterem kwantowym w strukturze fotonicznej. O szczegółach można przeczytać w artykule „Method for direct coupling of a semiconductor quantum dot to an optical fiber for single-photon source applications”. Tę metodę badaczka wykorzystała do wytworzenia źródła światłowodowego, przy pomocy którego zademonstrowano kwantowy przesył klucza kryptograficznego.

**** Prof. Sęk kieruje obecnie dwoma projektami związanymi z kropkami kwantowymi. Pierwszy to „Quantum Dot coupling engineering (and dynamic spin decoupling/deep nuclei cooling): 2-dimensional cluster state generation for quantum information processing (QCEED)” finansowany w ramach programu Pathfinder Horyzont Europa. Badania skupiają się na kropkach kwantowych emitujących w zakresie podczerwieni telekomunikacyjnej do zastosowań jako emiterów kwantowych w źródłach nieklasycznych stanów światła na potrzeby kryptografii i komunikacji kwantowej w sieciach światłowodowych. Drugi projekt „Optical, structural and electronic properties of III-V quantum dots on silicon”, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach program OPUS, jest związany z kropkami kwantowymi zintegrowanymi z platformą krzemową.

***** Mowa o projekcie „Fibre-Coupled GaSb Quantum Dot Tuneable Single-Photon Sources for Field Deployed Quantum Key Distribution – FiGAnti” finansowanym w ramach programu QuantERA II.

Lucyna Róg