Onderzoekers van het Institute for Quantum Computing (IQC) van de Universiteit van Waterloo hebben twee Nobelprijswinnende onderzoeksconcepten samengebracht om het veld van kwantumcommunicatie vooruit te helpen.
Wetenschappers kunnen nu op efficiënte wijze bijna perfect verstrengelde fotonparen produceren uit quantum dot-bronnen. Het onderzoek, “Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution”, werd gepubliceerd in Communicatiefysica
Verstrengelde fotonen zijn lichtdeeltjes die zelfs over grote afstanden met elkaar verbonden blijven, en de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2022 erkende experimenten over dit onderwerp. Door verstrengeling te combineren met kwantumdots, a technologie Het IQC-onderzoeksteam, erkend met de Nobelprijs voor de Scheikunde in 2023, wilde het proces voor het creëren van verstrengelde fotonen, die een breed scala aan toepassingen hebben, waaronder beveiligde communicatie, optimaliseren.
“De combinatie van een hoge mate van verstrengeling en hoge efficiëntie is nodig voor opwindende toepassingen zoals kwantumsleuteldistributie of kwantumrepeaters, die bedoeld zijn om de afstand van veilige kwantumcommunicatie naar een mondiale schaal te vergroten of om kwantumcomputers op afstand te koppelen”, aldus dr. Michael Reimer, professor bij IQC en Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.
“Eerdere experimenten hebben alleen een bijna perfecte verstrengeling of een hoge efficiëntie gemeten, maar wij zijn de eersten die aan beide eisen voldoen met een quantum dot.”
Door halfgeleider-kwantumdots in een nanodraad in te bedden, creëerden de onderzoekers een bron die bijna perfect verstrengelde fotonen creëert, 65 keer efficiënter dan eerder werk.
Deze nieuwe bron, ontwikkeld in samenwerking met de National Research Council of Canada in Ottawa, kan worden aangestuurd met lasers om op commando verstrengelde paren te genereren. De onderzoekers gebruikten vervolgens enkele fotondetectoren met hoge resolutie, geleverd door Single Quantum in Nederland, om de mate van verstrengeling te vergroten.
“Historisch gezien werden quantum dot-systemen geplaagd door een probleem dat fijne structuursplitsing wordt genoemd, waardoor een verstrengelde toestand in de loop van de tijd gaat oscilleren. Dit betekende dat metingen met een langzaam detectiesysteem zouden voorkomen dat de verstrengeling werd gemeten”, zegt Matteo Pennacchietti, een Ph.D. student aan IQC en Waterloo's Department of Electrical and Computer Engineering.
“We hebben dit overwonnen door onze kwantumdots te combineren met een zeer snel en nauwkeurig detectiesysteem. We kunnen feitelijk een tijdstempel nemen van hoe de verstrengelde toestand er op elk punt tijdens de oscillaties uitziet, en dat is waar we de perfecte verstrengeling hebben.”
Om toekomstige communicatietoepassingen onder de aandacht te brengen, werkten Reimer en Pennacchietti samen met Dr. Norbert Lütkenhaus en Dr. Thomas Jennewein, beiden IQC-faculteitleden en professoren in Waterloo's Departement Natuurkunde en Sterrenkunde, en hun teams.
Met behulp van hun nieuwe quantum dot-verstrengelingsbron simuleerden de onderzoekers een veilige communicatiemethode die bekend staat als quantum key distribution, wat bewijst dat de quantum dot-bron een grote belofte inhoudt in de toekomst van veilige kwantumcommunicatie.