Forskere fra universitetene i Basel, Ruhr og Paderborn har utviklet en metode for å lage fotonpar som er 90 prosent identiske. De nesten umulige å skille partiklene kan brukes til kvantefiltring og interferens – to fenomener som er sentrale i kvantekommunikasjon.

Fotoner som informasjonsbærere

Kvantefysikken har åpnet nye muligheter innen databehandling og sensorteknologi. Forskere undersøker ulike materialer og metoder for å lagre og behandle informasjon på kvantenivå, blant annet fangede ioner, nøytrale atomer, superledende kretser og fotoner som kvantebiter, eller qubits.

Fotoner er blant de enkleste informasjonsbærerne å arbeide med. I kvantekommunikasjon må de imidlertid ha nøyaktig de samme egenskapene for å kunne brukes sammen. De må i praksis være umulige å skille fra hverandre.

Tidligere forsøk på å lage slike fotoner har hatt begrenset suksess. Fotonene har enten vært ute av fokus eller bare vært korrelert i korte tidsrom. Forskerne fra Basel, Ruhr og Paderborn løste problemet ved hjelp av en halvlederbasert kvanteprikk.

En kunstig atomkilde

Forskerne kombinerte kvanteprikken med en optisk resonator og utnyttet en prosess som kalles bieksiton-henfall. Et bieksiton består av to bundne eksitoner. Når dette henfaller, frigjøres et eksiton og et foton.

«En kvanteprikk beskrives ofte som et kunstig atom i en halvleder som kan generere individuelle lyspartikler», forklarte Stefan Schumacher, professor i funksjonelle fotoniske strukturer ved Universitetet i Paderborn. «Ved å integrere den i et spesialisert optisk hulrom – tilsvarende det man finner i en laser – ble lysutslippsprosessen i denne studien fremskyndet og kontrollert på en målrettet måte.»

Et eksiton består av et elektron og et elektronhull. I forsøket blir kvanteprikken først dobbelt eksitert, før eksitasjonen henfaller. Bieksiton-kaskaden produserer dermed to fotoner, ett etter det andre. Forskerne kan dessuten utløse produksjonen med et trykk på en knapp, noe som kan være nyttig i nye kvanteteknologier.

Bedre enn tidligere resultater

Arbeidet bygger videre på forskning på samspillet mellom kvanteprikker og optiske hulrom utført av Richard Warburton, professor i eksperimentell kondensert materie-fysikk ved Universitetet i Basel.

Ved å kontrollere bieksiton-henfallet oppnådde forskerne 90 prosent identiske fotoner. Det er en klar forbedring fra tidligere resultater, der graden av identiskhet var 60 prosent. Jo mindre fotonene skiller seg fra hverandre, desto færre feil kan oppstå når kvanteinformasjon behandles.

«Resultatene stemmer svært godt overens med de teoretiske beregningene og viser en vei mot å generere fotoner med enda høyere grad av identiskhet», sa Warburton i en pressemelding. «De viser at bieksiton-henfall kan produsere fotoner av svært høy kvalitet – så lenge systemet kontrolleres riktig ved hjelp av et hulrom.»

Vibrasjoner setter en grense

Forskerne fant også at renheten til de genererte fotonene kan forbedres ved hjelp av resonatoren. Ifølge Klaus Jöns, leder for Hybrid Quantum Photonic Devices ved Universitetet i Paderborn, begrenses kvaliteten foreløpig bare av vibrasjoner i halvlederens krystallgitter, såkalte fononer.

«Dette fenomenet, som kalles ‘cavity feeding’, må tas hensyn til i fremtidige konstruksjoner og kan deretter reduseres ytterligere på en systematisk måte», sa Jöns.

Resultatene er publisert i tidsskriftet Physical Review Applied.