Kvantové tečky poprvé generují provázané fotony na povel: Otevírají cestu k bezpečnější komunikaci a výpočtům

Čínští vědci poprvé ukázali, jak kvantové tečky dokážou spolehlivě generovat páry provázaných fotonů. Tato přesná kontrola otevírá nové možnosti pro kvantové počítače, ultra-bezpečnou komunikaci a pokročilé zobrazování.

Vědci v Číně poprvé demonstrovali, jak lze kvantové tečky upravit tak, aby konzistentně generovaly páry provázaných fotonů. Tým vedený Zhiliangem Yuanem z Pekingské akademie kvantových informačních věd ukázal, že pečlivým přizpůsobením fotonického prostředí kolem jediné kvantové tečky je možné produkovat vysoce korelované páry fotonů s pozoruhodnou účinností. Tento objev potenciálně otevírá nové příležitosti pro vznikající kvantové technologie a byl publikován v časopise Nature Materials.

V posledních letech se technologie schopné generovat jednotlivé fotony na povel vyvinuly působivým tempem. Tyto zdroje již vedly k podstatnému pokroku v oblastech od kvantových počítačů a bezpečné komunikace až po pokročilé snímání a biomedicínské zobrazování.

Přirozeným dalším krokem bude schopnost produkovat páry fotonů, které jsou identické a silně provázané. I když jsou provázané fotony odděleny velkými vzdálenostmi, jejich vlastnosti zůstávají propojené – efekt, který je jádrem mnoha kvantových technologií.

Tradičně se páry fotonů produkují pomocí nelineárních optických krystalů, kde se foton z příchozího laserového paprsku může rozdělit na dva fotony s nižší energií. Ačkoli je tento přístup široce používán, má zásadní nevýhodu: nelineární krystal může sice produkovat jeden pár fotonů, ale může také generovat více nežádoucích párů nebo žádný, což ztěžuje kontrolu výstupu.

K řešení této výzvy se Yuan a jeho kolegové obrátili ke kvantovým tečkám: polovodičovým krystalům o velikosti pouhých několika nanometrů, jejichž optické vlastnosti lze upravit s mimořádnou přesností.

Když je kvantová tečka osvětlena laserovým světlem, energie, kterou absorbuje, může excitovat jediný elektron do vyššího energetického stavu. Jak se elektron uvolňuje zpět do svého základního stavu, tečka emituje foton s přesně definovanou frekvencí. Pečlivým nastavením materiálového složení tečky mohou vědci přesně řídit energetické úrovně zapojené do tohoto emisního procesu.

Ve své studii tým zkoumal speciálně navrženou kvantovou tečku z indio-gallio-arsenidu, zabudovanou do drobné optické struktury známé jako mikropilířová dutina. Tato dutina je tvořena vrstvami částečně reflexních zrcadel, která odrážejí světlo tam a zpět a formují způsob, jakým jsou fotony emitovány z tečky.

Přizpůsobením uspořádání těchto zrcadel vědci modifikovali fotonické prostředí tečky a posílili specifické emisní dráhy. Když tečku excitovali laserovým světlem s pečlivě zvolenou polarizací, systém mohl být převeden do konfigurace s vyšší energií známé jako „biexcitonový stav“. Jak se tento stav uvolňuje, emituje dva fotony v rychlém sledu kaskádovým procesem, čímž produkuje vysoce korelovaný pár fotonů.