Nano-lichtbronnen voor quantum-computers
Fysici van de Technische Universiteit van München (TUM) zijn erin geslaagd om lichtbronnen met een nauwkeurigheid van slechts enkele nanometers in atomisch dunne materiaallagen te plaatsen. De nieuwe methode moet een veelheid aan toepassingen mogelijk maken.
Eerdere schakelingen op chips vertrouwen op elektronen als informatiedragers. In de toekomst zouden ook fotonen die informatie in optische circuits met de lichtsnelheid overbrengen, deze taak op zich kunnen nemen. De basisbouwstenen van dergelijke nieuwe chips zijn kwantumlichtbronnen, die vervolgens worden verbonden met kwantum-optische golfgeleiders en -detectoren.
Een internationaal team onder leiding van de TUM-fysici Alexander Holleitner en Jonathan Finley is er nu in geslaagd om dergelijke kwantumlichtbronnen in atomisch dunne materiaallagen te produceren en ze met nanometerprecisie te plaatsen.
Doorslaggevend hierbij is de precieze en nauwkeurig regelbare plaatsing van de lichtbronnen. In conventionele driedimensionale materialen zoals diamant of silicium zijn er ook actieve kwantumlichtbronnen, maar deze kunnen daar niet precies worden geplaatst.
Om optisch actieve defecten (de gewenste kwantumlichtbronnen) te produceren, worden molybdeen- of zwavelatomen selectief uit de laag verwijderd. De gebreken zijn valkuilen voor zogenaamde excitonen, elektronengatenparen die vervolgens de gewenste fotonen uitzenden.
De nieuwe helium-ionenmicroscoop van het Center for Nanotechnology and Nanomaterials van het Walter Schottky Institute, waarmee dergelijke materialen met een ongekende lokale resolutie kunnen worden bestraald, was van centraal technisch belang.
Er kan echter niet alleen in theorie vooruitgang worden geboekt. Omdat de lichtbronnen altijd gebaseerd zijn op hetzelfde defect in het materiaal, zijn ze in principe niet te onderscheiden. Dit maakt toepassingen mogelijk op basis van het kwantummechanische principe van verstrengeling.
"Onze kwantumlichtbronnen kunnen zeer elegant worden geïntegreerd in fotonische schakelingen", zegt Klein. "Vanwege hun hoge gevoeligheid kunnen bijvoorbeeld kwantumsensoren voor smartphones worden gebouwd en kunnen extreem veilige versleutelingstechnologieën voor datatransmissie worden ontwikkeld.
Bron: TUM
Een internationaal team onder leiding van de TUM-fysici Alexander Holleitner en Jonathan Finley is er nu in geslaagd om dergelijke kwantumlichtbronnen in atomisch dunne materiaallagen te produceren en ze met nanometerprecisie te plaatsen.
Eerste stap in de richting van de optische kwantumcomputer
"Dit is een belangrijke eerste stap in de richting van optische kwantumcomputers", zegt Julian Klein, eerste auteur van de studie. "Voor toekomstige toepassingen moeten de lichtbronnen worden gekoppeld aan fotonische circuits, zoals golfgeleiders, om lichtgebaseerde kwantumberekeningen mogelijk te maken.Doorslaggevend hierbij is de precieze en nauwkeurig regelbare plaatsing van de lichtbronnen. In conventionele driedimensionale materialen zoals diamant of silicium zijn er ook actieve kwantumlichtbronnen, maar deze kunnen daar niet precies worden geplaatst.
Deterministische defecten
De fysici gebruikten nu een laag molybdeendisulfide (MoS2), slechts drie atomaire lagen dik, als uitgangsmateriaal. Ze bestraalden het met een helium-ionenbundel, die ze op een gebied van minder dan 1 nanometer concentreerden.Om optisch actieve defecten (de gewenste kwantumlichtbronnen) te produceren, worden molybdeen- of zwavelatomen selectief uit de laag verwijderd. De gebreken zijn valkuilen voor zogenaamde excitonen, elektronengatenparen die vervolgens de gewenste fotonen uitzenden.
De nieuwe helium-ionenmicroscoop van het Center for Nanotechnology and Nanomaterials van het Walter Schottky Institute, waarmee dergelijke materialen met een ongekende lokale resolutie kunnen worden bestraald, was van centraal technisch belang.
Op weg naar nieuwe lichtbronnen
Samen met theoretici van de TUM, het Max Planck Instituut en de Universiteit van Bremen heeft het team een model ontwikkeld om de waargenomen energietoestanden van de defecten theoretisch te beschrijven.Er kan echter niet alleen in theorie vooruitgang worden geboekt. Omdat de lichtbronnen altijd gebaseerd zijn op hetzelfde defect in het materiaal, zijn ze in principe niet te onderscheiden. Dit maakt toepassingen mogelijk op basis van het kwantummechanische principe van verstrengeling.
"Onze kwantumlichtbronnen kunnen zeer elegant worden geïntegreerd in fotonische schakelingen", zegt Klein. "Vanwege hun hoge gevoeligheid kunnen bijvoorbeeld kwantumsensoren voor smartphones worden gebouwd en kunnen extreem veilige versleutelingstechnologieën voor datatransmissie worden ontwikkeld.
Bron: TUM
