Gennembrud indenfor lyskilder til ny kvanteteknologi – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2014 > Gennembrud indenfor ly...

29. august 2014

Gennembrud indenfor lyskilder til ny kvanteteknologi

Ny kvanteteknologi:

Elektroniske kredsløb er baserede på elektroner, men til fremtidens kvantekredsløb er fotoniske kredsløb, altså kredsløb baseret på lys (fotoner) istedet for elektroner en af de mest lovende teknologier. Først er det dog nødvendigt at kunne skabe en strøm af enkelte fotoner og styre deres retning. Forskere verden over har lavet alle mulige krumspring for at opnå denne kontrol, men nu er det lykkedes forskere på Niels Bohr Institutet at skabe en jævn strøm af fotoner, som udsendes én ad gangen og i én bestemt retning. Gennembruddet er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.

Illustration af én-foton-kanonen. Et kvantepunkt (illustreret med det gule symbol) udsender én foton (rød bølgepakke) ad gangen. Kvantepunktet er indlejret i en fotonisk krystal-struktur, som er opnået ved at ætse huller (sorte cirkler) i et halvleder-materiale. Pga. hullerne kan fotonerne ikke udsendes i alle retninger, men kun langs den kanal, hvor hullerne er udeladt. Kun 1,6% af de udsendte fotoner vil udsendes i andre retninger (illustreret ved opadgående foton) og dermed tabes, mens 98,4% udsendes i den ønskede retning. (Illustration: Søren Stobbe, NBI)

Fotoner og elektroner opfører sig vidt forskelligt på kvanteniveau. Et kvant er den mindste enhed i den atomare verden, f.eks. er fotoner den fundamentale bestanddel af lys og elektroner af elektrisk strøm. Elektroner er såkaldte fermioner og kan sagtens strømme af sted enkeltvis, mens fotoner er bosoner, der helst klumper sig sammen. Men da information til kvantekommunikation baseret på fotonik ligger i den enkelte foton, er det nødvendigt at kunne sende dem én ad gangen.

”Så man har brug for at udsende fotonerne fra et fermionisk system, og det gør vi ved at skabe en yderst stærk vekselvirkning mellem lys og stof”, fortæller Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Foton-kanon

Professor Peter Lodahl og lektor Søren Stobbe har udviklet og designet en foton-kanon integreret på en optisk chip.

Forskerne har udviklet en slags foton-kanon integreret på en optisk chip. Den optiske chip består af en ekstremt lille fotonisk krystal, som er 10 mikrometer i bredden (1 mikrometer er en tusindedel af en millimeter), og tykkelsen er 160 nanometer (1 nanometer er en tusindedel af en mikrometer). Inde i midten af chip’en er der indlejret en lyskilde, som er et såkaldt kvantepunkt.

”Det, vi så gør, er, at vi lyser med laserlys på kvantepunktet, hvor der er atomer med elektroner i baner omkring kernen. Laserlyset anslår elektronerne, som så hopper fra én bane til en anden og dermed udsender én foton ad gangen. Normalt vil lys spredes i alle retninger, men vi har konstrueret den fotoniske chip sådan, at alle fotonerne sendes ud gennem én kanal”, fortæller Søren Stobbe, lektor i forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet.

Post.doc. Immo Söllner og ph.d.-studerende Marta Arcari har været hovedkræfterne i arbejdet med eksperimentet her i kvantefotonik-laboratoriet på Niels Bohr Institutet.

Men ikke nok med, at det virker. Peter Lodahl og Søren Stobbe fortæller, at det er ekstremt effektivt. ”Vi kan styre fotonerne og med 98,4 procents garanti sende dem i den retning, vi vil have. Det er ultimativ kontrol over vekselvirkning mellem stof og lys og giver fantastiske nye muligheder. En sådan foton-kanon har været efterspurgt længe i forskningsfeltet og åbner helt nye fascinerende muligheder for fundamentale eksperimenter og ny teknologi”, siger de.

De to forskere er i gang med at patentere flere dele af deres arbejde, hvor et specifikt mål er at udvikle en prototype høj-effektiv én-foton-kilde, som vil være direkte anvendelig til kryptering eller beregninger af komplekse kvantemekaniske problemer, og i det hele taget en essentiel byggeklods til fremtidig kvanteteknologi. Det forventes, at fremtidens kvanteteknologi vil føre til helt nye måder at kode ubrydelig information og til at lave mange sideløbende komplekse beregninger med meget store mængder data.

Artikel i Physical Review Letters >>

Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Tlf: 2056-5303, lodahl@nbi.ku.dk

Søren Stobbe, lektor i forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Tlf: 6065-6769, stobbe@nbi.ku.dk 

Gertie Skaarup, nyhedsredaktør på Niels Bohr Institutet, Tlf: 2875-0620, skaarup@nbi.dk