Kina bryder en kvantebarriere: Ny foton-enhed kan ændre fremtidens teknologi

Resultatet er offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials og kommer fra et forskerhold ved Beijing Academy of Quantum Information Sciences i samarbejde med det kinesiske videnskabsakademis Institut for Halvledere.

I laboratoriet viste enheden, at 98,3 procent af de udsendte fotoner optræder i par, samtidig med at genereringseffektiviteten nåede 29,9 procent. Ifølge forskerne placerer det teknologien blandt de mest effektive i verden inden for denne type kvantekilder.

Hvorfor to fotoner er vigtige

Kvanteforskning har i mange år arbejdet med såkaldte enkeltfoton-kilder, som kan bruges i eksperimentelle kvantenetværk. Men i mange anvendelser er det mere værdifuldt at arbejde med fotoner i par.

Når to fotoner genereres sammen, er de ofte kvantemekanisk forbundne. Det betyder, at de kan opføre sig synkroniseret i både tid og energi.

Den egenskab kan blandt andet udnyttes i medicinsk billeddannelse. Her kan fotonpar hjælpe med at reducere støj i målinger og potentielt skabe mere detaljerede billeder uden at skade følsomt biologisk væv.

Det samme princip kan bruges i kvantekryptering, hvor et par fotoner kan fungere som en sikkerhedsindikator i kommunikationen. Hvis en udefrakommende forsøger at aflæse signalet, vil det ændre tilstanden af fotonerne og afsløre aflytningen.

Et gammelt problem i kvanteoptik

Den klassiske metode til at skabe fotonpar bruger ikke-lineære krystaller, hvor en kraftig laser rammer materialet og splitter en foton i to. Metoden er dog tilfældig: nogle gange dannes ét par, andre gange flere.

Det skaber støj og gør systemerne sværere at kontrollere.

Forskere har længe forsøgt at bruge såkaldte kvanteprikker – nanostrukturer, der ofte beskrives som kunstige atomer – til at generere fotonpar mere kontrolleret. Problemet er, at systemet typisk udsender en enkelt foton for hurtigt, før den anden kan dannes.

En ny løsning i kvantesystemet

Forskerholdet fandt en løsning ved at styre kvanteprikken ind i en tilstand kendt som en dark exciton. Den fungerer i praksis som en midlertidig ventetilstand, hvor elektroner kan opholde sig længere uden at udsende lys.

Ved at bruge præcist afstemte laserpulser kunne forskerne derefter skabe en såkaldt biexciton-tilstand, som nedbrydes i en proces, der udsender to fotoner næsten samtidig.

Selve kvanteprikken blev placeret i en meget tynd optisk søjle – smallere end et menneskehår – for at styre lyset mere effektivt.

Næste skridt

Selv om resultaterne markerer et vigtigt skridt, arbejder forskerne allerede på næste fase.

I dag fungerer systemet ved temperaturer under 10 kelvin, hvilket kræver ekstrem nedkøling med flydende helium. Målet er at udvikle materialer, der kan få teknologien til at fungere ved 77 kelvin, hvilket svarer til temperaturer opnået med flydende nitrogen.

Hvis det lykkes, kan kvantekilder som denne blive langt mere praktiske i fremtidige teknologier.

Vores team kan have anvendt AI til at assistere i skabelsen af dette indhold, som er gennemgået af redaktørerne.