Første skridt mod lysbaserede kvantenetværk – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2017 > Første skridt mod lysb...

25. januar 2017

Første skridt mod lysbaserede kvantenetværk

Kvanteteknologi:

Avancerede fotoniske nanostrukturer er stærkt på vej til at revolutionere kvanteteknologi til for eksempel kvantenetværk baseret på lys. Forskere fra bl.a. Niels Bohr Institutet har nu udviklet de første byggesten til at kunne konstruere komplekse kvantefotoniske kredsløb til kvantenetværk. Denne rivende udvikling indenfor kvantenetværk markeres med en artikel i det prestigefulde videnskabelige tidsskrift, Nature.

Professor Peter Lodahl i kvanteoptiklaboratoriet på Niels Bohr Institutet i København. (Foto: Ola Jakup Joensen, NBI).

Kvanteteknologi baseret på lys (fotoner) kaldes fotonik, mens elektronik er baseret på elektroner. Fotoner (lyspartikler) 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.

Illustration af en foton-kanon. Et kvantepunkt (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. På grund af hullerne kan fotonerne ikke udsendes i alle retninger, men kun langs bølgeledern, som er dannet ved, at en række hullerne er udeladt. (Illustration: Søren Stobbe, NBI)

Øget information

Information baseret på fotoner har store fordele; fotoner vekselvirker kun meget svagt med omgivelserne - modsat elektroner, så fotoner mister ikke energi undervejs og kan derfor sendes over store afstande. Fotoner er meget velegnede til at bære informationer, og et kvantekredsløb baseret på fotoner vil kunne indeholde langt mere information end det er muligt med den nuværende computerteknologi, og informationerne vil ikke kunne opsnappes undervejs.

Mange forskningsgrupper i verden arbejder intenst med dette forskningsfelt, som er i rivende udvikling, og de første kommercielle kvantefotonik-produkter begynder at blive fremstillet.

Styr på fotonerne

Men først var nødvendigt at kunne skabe en strøm af enkelte fotoner, og det lykkedes forskere på Niels Bohr Institutet at skabe en jævn strøm af fotoner, som udsendes én ad gangen og i én bestemt retning.

”Vi har udviklet en fotonisk chip, som virker som en foton-kanon. Den fotoniske chip består af en ekstremt lille 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. Ved at lyse på kvantepunktet med laserlys anslås en elektron, som så efterfølgende kan hoppe fra én bane til en anden og dermed udsender én foton ad gangen. Lys udsendes normalt i alle retninger, men den fotoniske chip er konstrueret sådan, at alle fotonerne sendes ud gennem en fotonisk bølgeleder”, fortæller Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Retningsbestemt udsendelse af lys. Figuren viser beregninger af fotonudsendelsen i den nye retningsbestemte fotonkilde. Hvis kvantepunktets elektron har spin, som peger op, bliver fotonen udsendt i den ene retning (blå). Hvis elektronens spin peger ned, bliver fotonen udsendt i den modsatte retning (rød). (Illustration: Sahand Mahmoodian og Søren Stobbe,NBI.

Ved en lang og møjsommelig proces videreudviklede og testede forskergruppen den fotoniske chip, så den opnåede ekstrem effektivitet, og Peter Lodahl fortæller, at det specielt var en stor overraskelse, at de kunne få lysudsendelsen til at foregå på en måde, som man ikke tidligere troede var mulig. Normalt sendes fotonerne i begge retninger i den fotoniske bølgeleder, men i deres specialfremstillede fotoniske chip kunne de bryde denne symmetri og få kvantepunktet til at kende forskel på højre og venstre og udsende retningsbestemte fotoner. Det betyder fuld kontrol over fotonerne, og forskerne er begyndt at undersøge, hvordan man kan bygge komplette kvantenetværkssystemer baseret på denne nye opdagelse.

”Fotonerne kan sendes over lange afstande via optiske fibre, hvor de suser igennem fibrene med meget lave tab. Man vil potentielt kunne bygge et netværk, hvor fotonerne kobler små kvantemekaniske systemer, som derved knyttes sammen til et kvantemekanisk netværk – et kvanteinternet”, fortæller Peter Lodahl. Han tilføjer, at mens de første basale funktionaliteter allerede er en realitet, er den store udfordring nu at udvide dem til store, komplekse kvantenetværk.

Peter Lodahl, professor, leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Tlf: +45 2056-5303, lodahl@nbi.ku.dk