Nanoantenne ermöglicht fortschrittliche Quantenkommunikation und Datenspeicherung

Forscher der Universität Osaka haben zusammen mit Kooperationspartnern eine Nanoantenne hergestellt, die große Auswirkungen auf die hochsichere Kommunikation über große Entfernungen haben kann.

Die aktuelle Studie wurde in veröffentlicht Angewandte Physik Express.

Das Team hat die Photonen-zu-Elektronen-Umwandlung durch eine Metallnanostruktur erheblich verbessert, was die Entwicklung von Technologien zum Teilen und Verarbeiten von Daten vorantreiben wird.

Übertragung von Quanteninformationen über große Entfernungen

Da klassische Computerinformationen auf einfachen Ein-/Aus-Anzeigen basieren, ist es ziemlich einfach, eine Technologie namens Repeater zu verwenden, um Informationen über große Entfernungen zu verstärken und zu übertragen. Quanteninformationen sind jedoch komplexer und basieren auf sicheren Auslesungen, beispielsweise dem Elektronenspin. 

Halbleiter-Nanoboxen oder Quantenpunkte sind Materialien, die Forscher untersucht haben, um Quanteninformationen zu speichern und zu übertragen. Dennoch sind Quantenrepeater-Technologien in vielerlei Hinsicht eingeschränkt, einschließlich des aktuellen Ansatzes zur Umwandlung photonenbasierter Informationen in elektronenbasierte Informationen. Dieser Prozess ist äußerst ineffizient, weshalb sich das Forscherteam auf die Suche nach neuen Wegen zur Lösung dieses Konvertierungs- und Transferproblems machte.

Die Nanoantenne

Rio Fukai ist Hauptautor der Studie.

„Die Effizienz der Umwandlung einzelner Photonen in einzelne Elektronen in Galliumarsenid-Quantenpunkten – gängige Materialien in der Quantenkommunikationsforschung – ist derzeit zu gering“, sagt Fukai. „Dementsprechend haben wir eine Nanoantenne entworfen – bestehend aus ultrakleinen konzentrischen Ringen aus Gold – um Licht auf einen einzelnen Quantenpunkt zu fokussieren, was zu einer Spannungsanzeige von unserem Gerät führte.“

Eines der beeindruckenden Ergebnisse dieser Studie ist, dass das Team die Photonenabsorption im Vergleich zum Verzicht auf die Nanoantenne um den Faktor 9 steigern konnte. Die meisten der fotogenerierten Elektronen wurden nicht eingefangen, als ein einzelner Quantenpunkt beleuchtet wurde. Stattdessen sammelten sie sich an Verunreinigungen oder an anderen Stellen im Gerät an. 

Die überschüssigen Elektronen ergaben eine minimale Spannungsanzeige, die von der durch die Quantenpunktelektronen erzeugten Spannung unterschieden werden konnte. All dies bedeutet, dass die beabsichtigte Anzeige des Geräts nicht gestört wurde.

Akira Oiwa ist leitender Autor der Studie.

„Theoretische Simulationen deuten darauf hin, dass wir die Photonenabsorption um bis zu den Faktor 25 verbessern können“, sagt Oiwa.“ Die Verbesserung der Ausrichtung der Lichtquelle und die präzisere Herstellung der Nanoantenne sind laufende Forschungsrichtungen in unserer Gruppe.“

Diese neue Forschung stellt bewährte Nanophotonik zur Verfügung, um Quantenkommunikation und Informationsnetzwerke voranzutreiben. Es könnte zu neuartigen Quantentechnologien mit potenziellen Anwendungen in der Informationssicherheit und Datenverarbeitung führen.