Proboj u izvorima svjetla za nove kvantne tehnologije
Električni krugovi temelje se na elektronima, ali jedna od tehnologija koje najviše obećavaju u budućnosti kvantnih krugova su fotonski krugovi, tj. krugovi temeljeni na svjetlosti (fotonima) umjesto na elektronima.
Kao prvo, nužno je biti u mogućnosti stvoriti struju pojedinačnih fotona i kontrolirati njihov smjer. Istraživači diljem svijeta su pokušavali na razne načine postići tu kontrolu. Međutim, znanstvenici na Institutu Niels Bohr uspjeli su u stvaranju mirne struje fotona emitiranih jedan po jedan u određenom smjeru. Preokret je objavljen u znanstvenom časopisu Physical Review Letters.
Fotoni i elektroni se ponašaju jako različito na kvantnoj razini. Kvantum je najmanja čestica u svijetu atoma, fotoni su bazna jedinica svjetlosti, a elektroni električne struje. Elektroni su takozvani fermioni i lako mogu strujati sami, dok su fotoni bozoni koji se više grupiraju. Ali obzirom da informacija za kvantnu komunikaciju koja se temelji na fotonima leži u individualnom fotonu, nužno je moći ih slati jednog po jednog.
"Prema tome, morate emitirati fotone iz fermionskog sistema što postižemo stvarajući ekstremno snažnu interakciju između svjetlosti i materije", objašnjava Peter Lodahl, profesor i čelnik istraživačke grupe Quantum Photonics na Neils Bohr Institutu na Sveučilištu u Kopenhagenu.
Fotonski top
Istraživači su razvili neku vrstu topa za pojedinačne fotone integriranog na optički čip. Optički čip se sastoji od iznimno malih fotonskih kristala širine 10 mikrona (1 mikron je tisućina milimetra) i debljine 160 nanometara (1 nanometar je tisućina mikrona). U sredini čipa je ugrađen izvor svjetla, takozvana kvantna točka.
"Sljedeće što radimo jest da uperimo lasersku svjetlost u kvantnu točku u kojoj se nalaze atomi s elektronima u orbiti oko nukleusa. Lasersko svjetlo uzbuđuje elektrone koji zatim skaču s jedne orbite na drugu i zatim emitiraju jedan po jedan foton. Normalno, svjetlo se razbije u svim smjerovima, ali smo dizajnirali fotonski čip tako da se svi fotoni šalju kroz jedan kanal", objašnjava Søren Stobbe, suradnik u istraživačkoj grupi Quantum Photonic na Neils Bohr Institutu.
Peter Lodahl i Søren Stobbe objašnjavaju da to ne samo da funkcionira nego je i iznimno učinkovito. "Možemo kontrolirati fotone i slati ih u smjerovima u kojima želimo s 98.4 %-tnim uspjehom. Ovo predstavlja potpunu kontrolu nad interakcijom između materije i svjetlosti i ima iznimni potencijal. Takav je top za pojedinačne fotone dugo bio tražen u istraživanjima i otvara fascinantne nove mogućnosti za osnovne eksperimente i nove tehnologije," objašnjavaju.
Ova dva istraživača su u postupku patentiranja nekoliko dijelova svog rada, s posebnim ciljem razvijanja prototipa izvora pojedinačnog fotona s visokom učinkovitošću koji bi se mogao koristiti za šifriranje ili za izračune kompleksnih kvantnih mehaničkih problema i koji je općenito ključan element u budućim kvantnim tehnologijama. Očekuje se da će buduće kvantne tehnologije dovesti do novih načina kodiranja neslomljivih informacija i da će iznijeti kompleksne paralelne izračune.