Yeni fotonik kristal yöntemi, kuantum ağları için tek foton kaynaklarını geliştiriyor

Kuantum iletişimi, günümüzün standart teknolojilerine göre, büyük miktarda verinin tamamen güvenli bir şekilde iletilmesi de dahil olmak üzere pek çok avantaj vaat ediyor. Ancak tek foton gerektirir ve bunları üretmek çok zordur. Münih Teknik Üniversitesi (TUM) ve Münih Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’ndeki (MCQST) araştırmacılar, önceki yaklaşımların sorunlarının üstesinden gelen yeni bir yöntem geliştirdiler.

Araştırmacılar, istenen frekansı yükseltmek yerine, istenmeyen frekansları seçici olarak bastırıyor. Şimdiye kadar, rezonatörler çoğunlukla tek fotonlar (foton kaynaklarını etkileyen ve bunların ağırlıklı olarak belirli bir frekansta ışık yaymasına neden olan küçük optik yapılar) üretmek için kullanılıyordu. Ancak bu rezonatörler yalnızca dar bir frekans aralığında çalışır ve ilgili foton kaynağına tam olarak ayarlanması gerekir.

TUM ve MCQST’deki araştırmacılar, tam tersi yönde yeni bir yaklaşım geliştirdiler. Yayıcıların belirli bir frekansta daha fazla ışık yaymasına neden olmak yerine, yayıcının ortamını, istenmeyen frekanslarda daha az ışık yayılacak şekilde uyarlarlar.

Bunu yapmak için fotonik kristal dalga kılavuzları kullanıyorlar. Bu nanoyapılar, bir foton kaynağının ışık yayabileceği yolları engellemek için düzenli olarak düzenlenmiş desenler kullanır. Ekip, fotonik kristal dalga kılavuzlarını, yalnızca istenmeyen ışık frekanslarını bastırırken istenenleri koruyacak şekilde tasarlıyor.

Araştırma dergide yayınlandı Doğa İletişimi.

Yayılan ışığın foton payında üç kat artış

İlk deneyler teknolojinin etkinliğini doğruladı: Araştırmacılar, fotonik kristal dalga kılavuzlarını kullanarak, yayılan ışıkta istenen fotonların oranını yaklaşık %23’ten yaklaşık %72’ye çıkarmayı başardılar. Bu, yeni yöntemin daha önce yalnızca çok daha karmaşık rezonatör yaklaşımlarıyla elde edilebilen sonuçlara ulaştığı anlamına geliyor.

Yeni yaklaşımla birlikte foton üretimi de eskisine göre biraz daha yavaş gerçekleşiyor. Bu da kuantum iletişimi için önemlidir: TUM’da kuantum ağları profesörü Andreas Reiserer, “Fotonlar çok hızlı üretilirse, onların özelliklerini kontrol etmemiz zorlaşır” diye açıklıyor. “Bu nedenle yaklaşımımız birçok yayıcı için bugüne kadar kullanılan rezonatörlerden önemli ölçüde daha uygundur.”

Araştırmacılar ilk deneylerini, günümüzde fiber optik teknolojilerinde halihazırda kullanılan bir element olan erbiyumu foton kaynağı olarak kullanarak gerçekleştirdiler.

Çoklu emitörler ve özelleştirme

Kristal dalga kılavuzları daha büyük yayıcıları barındırabildiğinden ve daha geniş bir bant genişliğine sahip olduğundan iki önemli avantaj sunarlar. İlk olarak, yayıcılar olarak bilinen birden fazla foton kaynağı tek bir cihazda aynı anda kullanılabilir. Rezonatörlerde bu, boyutlarının çok küçük olması nedeniyle yalnızca sınırlı bir ölçüde mümkündür. İkincisi, klasik rezonatörlerin aksine fotonik kristal dalga kılavuzlarının her bir yayıcıya tam olarak ayarlanması gerekmediğinden istenen frekans daha esnek bir şekilde seçilebilir.

Doktora öğrencisi ve yayının ilk yazarı Florian Burger ileriye yönelik bir bakış sunuyor: “Kuantum ağlarının bir gün birçok kuantum sistemini birbirine bağlaması bekleniyor. Bu, bilgiyi bir kuantum sisteminden bireysel fotonlara güvenilir bir şekilde aktarabilen ve daha sonra bunları örneğin optik fiberler aracılığıyla iletebilen arayüzler gerektirir. Çalışmamız bunun temelini atıyor.”