TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Zespół badaczy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, wspólnie z partnerami z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego oraz Uniwersytetu Technicznego w Berlinie, opracowali skalowalną technologię wytwarzania mikroskopowych urządzeń generujących pojedyncze cząstki światła (fotony).
Wyniki swoich badań opisali w pracy „High-throughput quantum photonic devices emitting indistinguishable photons in the telecom C-band”, która ukazała się właśnie w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”.
Dzięki wspólnej pracy naukowcy z Polski, Danii i Niemiec stworzyli innowacyjną skalowalną technologię dla deterministycznego wytwarzania mikroskopowych urządzeń fotonicznych generujących pojedyncze fotony w bliskiej podczerwieni kompatybilne z pasmem telekomunikacyjnym C sieci światłowodowych.
Ze strony Politechniki Wrocławskiej w projekcie brali udział dr inż. Paweł Holewa, mgr inż. Emilia Zięba-Ostój, mgr inż. Maja Wasiliuk, mgr inż. Marek Burakowski, dr inż. Paweł Mrowiński, dr inż. Bartosz Krajnik, dr inż. Anna Musiał oraz lider zespołu dr hab. inż. Marcin Syperek, prof. uczelni (wszyscy Wydział Podstawowych Problemów Techniki).
Wydajne mikrostruktury
Podczas swoich badań naukowcy wytworzyli emitery fotonów wykorzystując wyspy atomów (kropki kwantowe) indu i arsenu (InAs), o rozmiarze rzędu 100 nm, osadzonych na podłożu z materiału fosforku indu (InP) i przykryli je cienką warstwą materiału InP.
Kropki kwantowe InAs na podłożu z InP przed przykryciem materiałem InP - obraz z mikroskopu sił atomowych
– Następnie, na tak spreparowaną strukturę, nałożyliśmy metaliczne lustro – wyjaśnia prof. Marcin Syperek, lider polskiego zespołu. – Umożliwiło to zarejestrowanie odpowiednio dużej ilości fotonów emitowanych przez pojedynczą kropkę kwantową – dodaje.
Podwyższona jasność emitera światła dała możliwość precyzyjnego określenia pozycji kropek kwantowych pod powierzchnią materiału dzięki obrazowaniu emisji na kamerze rejestrującej fotony w bliskiej podczerwieni.
Określenie pozycji kropki pozwoliło na deterministyczne wytworzenie w jej bezpośrednim otoczeniu rezonatora optycznego (kołowej siatki Bragga) i wykorzystanie efektów elektrodynamiki kwantowej w układzie sprzężonego pojedynczego emitera do pola elektro-magnetycznego wnęki celem polepszenia parametrów źródła emitującego fotony na długości fali 1550 nm.
– Tym sposobem uzyskaliśmy rekordowe wartości niektórych parametrów w tym blisko pięciokrotne przyśpieszenie częstotliwości generacji fotonów w efekcie Purcella, wysoką ekstrakcję fotonów z urządzenia sięgającą 17%, wysoką czystość emisji jednofotonowej oraz rekordową wartość (19%) kwantowej nierozróżnialności fotonów – wyjaśnia prof. Syperek.
Interesujące fotony o długości fali 1550 nm
Pojedyncze fotony wykorzystywane są w schematach przetwarzania danych przenosząc informacje zakodowaną w swoim stanie kwantowym.
– Wykorzystuje się je do kwantowego szyfrowania informacji w kanale transmisyjnym oferując ochronę danych potencjalnie znacznie bezpieczniejszą od szyfrowania klasycznego kluczem bitowym, symulacji układów kwantowych niemożliwych do odtworzenia w komputerach klasycznych, ultraprecyzyjnej metrologii, czy obliczeń z wykorzystaniem algorytmów kwantowych znacznie przyśpieszających rozwiązanie niektórych problemów matematycznych – mówi prof. Syperek.
Kropki kwantowe w matrycy InP na lustrze z glinu (Al) – symulacja struktury. Obrazowanie emisji pojedynczych kropek kwantowych w celu znalezienia ich pozycji. Wykonane rezonatory kołowe w postaci siatek Bragga w miejsu nukleacji kropki - obraz z elektronowego mikroskopu skaningowego.
Szczególnie interesujące z punktu widzenia zastosowań są fotony o długości fali 1550 nm, odpowiadające telekomunikacyjnemu pasmu C. Odpowiadają bowiem minimum tłumienia sygnału optycznego w światłowodach krzemionkowych, wykorzystywanych dziś do budowy sieci optycznych. – W konsekwencji możliwe jest przesyłanie danych kwantowych na dalekie odległości i przetwarzanie informacji kwantowej z wykorzystaniem sieci rozproszonych bazujących na połączeniach światłowodowych – dodaje naukowiec z W11.
Spośród wielu możliwych sposobów generacji pojedynczych fotonów o długości fali 1550 nm, kropki kwantowe wydają się dawać największe możliwości inżynierii optymalnych źródeł wykorzystując fizykę materiałów, zdolności ich przetwarzania oraz efekty kwantowo-mechaniczne. Prof. Marcin Syperek: – Jak do tej pory, w wytwarzanych urządzeniach brak było determinizmu, koniecznego do opracowania skalowalnej i w pełni kontrolowalnej technologii produkcji źródeł na bazie kropek kwantowych.
Unikatowy mikroskop
Jednym z kluczowych elementów badań prowadzonych na PWr było skonstruowanie unikatowego w skali świata mikroskopu do obrazowania emisji w zakresie bliskiej podczerwieni z pojedynczych kropek kwantowych ukrytych pod powierzchnią materiału.
– Nasz mikroskop pozwala lokalizować dziesiątki kropek kwantowych z dokładnością powyżej 100 nm w czasie kilku sekund, co gwarantuje skalowalność zaprezentowanej metody do wytwarzania urządzeń wykorzystujących kropki emitujące światło w bliskiej podczerwienii – wyjaśnia dr inż. Pawel Holewa z WPPT, pierwszy autor pracy.
Pojedyncze urządzenie z kropką kwantową InAs/InP sprzężoną do kołowej siatki Bragga generujące fotony o długości fali 1550 nm – obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego.
Praca badaczy toruje drogę do skalowalnej produkcji urządzeń fotonicznych z pojedynczą kropką kwantową do zastosowań w komunikacji kwantowej i obliczeniach z wykorzystaniem latających kubitów (fotonów).
– Nasze podejście zapewnia platformę do badania i wykorzystania efektów elektrodynamiki kwantowej we wnęce optycznej oraz opracowania skalowalnych technologii fotoniki kwantowej w oparciu o pojedyncze kropki kwantowe i pojedyncze fotony – tłumaczy dr inż. Paweł Holewa. – Dodatkowo, rekordowo wysoka nierozróżnialność fotonów, którą zaprezentowaliśmy, umożliwia budowę fotonicznych bramek logicznych. W konsekwencji, możliwa będzie budowa fotonicznych komputerów kwantowych połączonych optyczną siecią światłowodową, tworząc „kwantowy internet” – dodaje.
