Tvillingfotoner fra forskjellige kvanteprikker

Identiske lyspartikler (fotoner) er viktige for mange teknologier som er basert på kvantefysikk. Et team av forskere fra Basel og Bochum har nå produsert identiske fotoner med forskjellige kvanteprikker – et viktig skritt mot applikasjoner som trykksikker kommunikasjon og kvanteinternett.

Mange teknologier som benytter seg av kvanteeffekter er basert på nøyaktig like fotoner. Å produsere slike fotoner er imidlertid ekstremt vanskelig. Ikke bare trenger de å ha nøyaktig samme bølgelengde (farge), men deres form og polarisering må også samsvare.

Et team av forskere ledet av Richard Warburton ved Universitetet i Basel, i samarbeid med kolleger ved Universitetet i Bochum, har nå lykkes i å lage identiske fotoner som stammer fra forskjellige og vidt adskilte kilder.

Enkeltfotoner fra kvanteprikker

I sine eksperimenter brukte fysikerne såkalte kvanteprikker, strukturer i halvledere bare noen få nanometer i størrelse. I kvanteprikkene er elektroner fanget slik at de bare kan ta på seg svært spesifikke energinivåer. Lys sendes ut ved overgang fra ett nivå til et annet. Ved hjelp av en laserpuls som utløser en slik overgang, kan enkeltfotoner dermed lages ved å trykke på en knapp.

“De siste årene har andre forskere allerede skapt identiske fotoner med forskjellige kvanteprikker,” forklarer Lian Zhai, en postdoktor og førsteforfatter av studien som nylig ble publisert i Natur nanoteknologi. “For å gjøre det, måtte de imidlertid velge og vrake fra et stort antall fotoner de som var mest like ved å bruke optiske filtre.” På den måten var det bare svært få brukbare fotoner igjen.

Warburton og hans samarbeidspartnere valgte en annen, mer ambisiøs tilnærming. For det første produserte spesialistene i Bochum ekstremt rent galliumarsenid som kvanteprikkene ble laget av. De naturlige variasjonene mellom ulike kvanteprikker kunne dermed holdes på et minimum. Fysikerne i Basel brukte deretter elektroder for å eksponere to kvanteprikker for nøyaktig avstemte elektriske felt. Disse feltene modifiserte energinivåene til kvanteprikkene, og de ble justert på en slik måte at fotonene som ble sendt ut av kvanteprikkene hadde nøyaktig samme bølgelengde.

93 % identisk

For å demonstrere at fotonene faktisk var umulige å skille, sendte forskerne dem på et halvforsølvet speil. De observerte at nesten hver gang lyspartiklene enten passerte gjennom speilet som et par, ellers ble reflektert som et par. Fra den observasjonen kunne de konkludere med at fotonene var 93% identiske. Med andre ord, fotonene dannet tvillinger selv om de ble “født” helt uavhengig av hverandre.

Dessuten var forskerne i stand til å realisere en viktig byggestein av kvantedatamaskiner, en såkalt kontrollert IKKE-port (eller CNOT-port). Slike porter kan brukes til å implementere kvantealgoritmer som kan løse visse problemer mye raskere enn klassiske datamaskiner.

“Akkurat nå er avkastningen vår identisk fotoner er fortsatt rundt én prosent,” innrømmer Ph.D.-student Gian Nguyen. Sammen med sin kollega Clemens Spindler var han med på å kjøre eksperimentet. “Vi har allerede en ganske god idé, men hvordan vi kan øke dette utbyttet i fremtiden. “Det ville gjøre tvillingen-foton metode klar for potensielle anvendelser i forskjellige kvanteteknologier.

---

---