Για πρώτη φορά, ερευνητές στην Κίνα απέδειξαν πώς οι κβαντικές κουκκίδες μπορούν να κατασκευαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να παράγουν σταθερά ζεύγη πεπλεγμένων φωτονίων. Προσαρμόζοντας προσεκτικά το φωτονικό περιβάλλον γύρω από μια μεμονωμένη κβαντική κουκκίδα, η ομάδα έδειξε ότι είναι εφικτή η παραγωγή φωτονικών ζευγών με εξαιρετική απόδοση, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τις αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες.
Η εργασία, υπό την καθοδήγηση του Zhiliang Yuan στην Ακαδημία Κβαντικών Πληροφοριών του Πεκίνου, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials.
Η πρόκληση της εκπομπής δύο φωτονίων
Τα τελευταία χρόνια, οι τεχνολογίες που παράγουν μεμονωμένα φωτόνια κατόπιν παραγγελίας έχουν σημειώσει εντυπωσιακή πρόοδο, επηρεάζοντας τομείς από την κβαντική υπολογιστική έως την ασφαλή επικοινωνία και τη βιοϊατρική απεικόνιση. Το επόμενο φυσικό βήμα είναι η ικανότητα παραγωγής πανομοιότυπων και ισχυρά πεπλεγμένων ζευγών φωτονίων. Στις πεπλεγμένες καταστάσεις, οι ιδιότητες των φωτονίων παραμένουν συνδεδεμένες ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, ένα φαινόμενο που αποτελεί την καρδιά πολλών κβαντικών εφαρμογών.
Παραδοσιακά, τα ζεύγη φωτονίων παράγονται με τη χρήση μη γραμμικών οπτικών κρυστάλλων. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση έχει ένα θεμελιώδες μειονέκτημα: ο έλεγχος της παραγωγής είναι δύσκολος, καθώς ο κρύσταλλος μπορεί να παράγει πολλά ανεπιθύμητα ζεύγη ταυτόχρονα ή κανένα, καθιστώντας την έξοδο απρόβλεπτη.
Η λύση μέσω των κβαντικών κουκκίδων
Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, ο Yuan και οι συνεργάτες του στράφηκαν στις κβαντικές κουκκίδες – ημιαγωγικούς κρυστάλλους μεγέθους λίγων νανομέτρων, των οποίων οι οπτικές ιδιότητες μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν μια ειδικά σχεδιασμένη κβαντική κουκκίδα από αρσενικούχο ίνδιο-γάλλιο, ενσωματωμένη μέσα σε μια μικροσκοπική οπτική δομή γνωστή ως κοιλότητα μικροπυλώνα. Αυτή η κοιλότητα αποτελείται από ημι-ανακλαστικούς καθρέπτες που αναγκάζουν το φως να ανακλάται συνεχώς, διαμορφώνοντας τον τρόπο εκπομπής των φωτονίων.
Ρυθμίζοντας τη διάταξη αυτών των κατόπτρων, οι ερευνητές ενίσχυσαν συγκεκριμένες διαδρομές εκπομπής. Όταν η κουκκίδα διεγείρεται με φως λέιζερ συγκεκριμένης πόλωσης, το σύστημα μεταβαίνει σε μια κατάσταση υψηλής ενέργειας που ονομάζεται «biexciton state». Καθώς η κατάσταση αυτή χαλαρώνει, εκπέμπει δύο φωτόνια σε γρήγορη διαδοχή, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά συσχετισμένο ζεύγος.
Σταθερότητα και μελλοντικές εφαρμογές
Τα πειράματα έδειξαν ότι η μέθοδος λειτουργεί εξαιρετικά καλά. Υπό την επίδραση παλμικού λέιζερ, η κβαντική κουκκίδα παρήγαγε ζεύγη φωτονίων με εντυπωσιακή αξιοπιστία, με τους ερευνητές να εκτιμούν ότι το 98,3% όλων των φωτονίων που εκπέμφθηκαν ήταν σε ζεύγη. Αυτό το επίπεδο ελέγχου προσφέρει μια πρακτική εναλλακτική λύση έναντι των απρόβλεπτων κρυστάλλων, ενώ τα φωτόνια ενσωματώνονται ευκολότερα σε κβαντικές συσκευές.
Με περαιτέρω βελτιώσεις, αυτές οι αξιόπιστες πηγές πεπλεγμένων φωτονίων θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από εξαιρετικά ασφαλή δίκτυα επικοινωνίας – όπου οποιαδήποτε προσπάθεια υποκλοπής γίνεται άμεσα αντιληπτή – έως νέες μορφές μη επεμβατικής απεικόνισης πολύ υψηλής ανάλυσης.