Nanoantenne ermöglicht fortschrittliche Quantenkommunikation und Datenspeicherung

Forscher der Universität Osaka, zusammen mit ihren Kooperationspartnern, haben eine Nanoantenne hergestellt, die große Auswirkungen auf ultrasichere, langstreckige Kommunikation haben kann.

Die kürzlich durchgeführte Studie wurde in Applied Physics Express veröffentlicht.

Das Team verbesserte die Photon-Elektron-Umwandlung durch eine Metallnanostruktur erheblich, was die Entwicklung von Technologien für den Austausch und die Verarbeitung von Daten vorantreiben wird.

Quanteninformation über weite Strecken übertragen

Da die Informationen in klassischen Computern auf einfache Ein/Aus-Lesevorgänge basieren, ist es relativ einfach, eine Technologie namens Repeater zu verwenden, um Informationen über weite Strecken zu übertragen. Quanteninformation hingegen ist komplexer und basiert auf sicheren Lesevorgängen, wie z.B. dem Elektronenspin.

Halbleiter-Nanokästchen oder Quantenpunkte sind Materialien, die Forscher untersucht haben, um Quanteninformation zu speichern und zu übertragen. Allerdings sind Quantenrepetertechnologien in verschiedenen Aspekten begrenzt, einschließlich des aktuellen Ansatzes, photonbasierte Informationen in elektronenbasierte Informationen umzuwandeln. Dieser Prozess ist sehr ineffizient, weshalb das Team von Forschern nach neuen Wegen suchte, um dieses Umwandlungs- und Übertragungsproblem zu überwinden.

Die Nanoantenne

Rio Fukai ist der Hauptautor der Studie.

“Die Effizienz der Umwandlung einzelner Photonen in einzelne Elektronen in Galliumarsenid-Quantenpunkten – einem häufig in der Quantenkommunikationsforschung verwendeten Material – ist derzeit zu niedrig”, sagt Fukai. “Deshalb haben wir eine Nanoantenne entworfen, die aus ultrakleinen konzentrischen Goldringen besteht, um Licht auf einen einzelnen Quantenpunkt zu fokussieren, was zu einer Spannungsablesung unseres Geräts führte.”

Eines der beeindruckenden Ergebnisse dieser Studie ist, dass das Team die photonische Absorption um einen Faktor von bis zu 9 im Vergleich zur Nichtverwendung der Nanoantenne erhöhen konnte. Die meisten der photogenerierten Elektronen wurden nicht in einem einzelnen Quantenpunkt gefangen, sondern sammelten sich in Verunreinigungen oder anderen Bereichen des Geräts.

Die überschüssigen Elektronen gaben eine minimale Spannungsablesung, die von der durch die Quantenpunktelektronen erzeugten Ablesung unterschieden werden konnte. All dies bedeutet, dass die beabsichtigte Ablesung des Geräts nicht gestört wurde.

Akira Oiwa ist der Seniorautor der Forschung.

“Theoretische Simulationen deuten darauf hin, dass wir die photonische Absorption um einen Faktor von bis zu 25 verbessern können”, sagt Oiwa. “Die Verbesserung der Ausrichtung der Lichtquelle und die präzisere Fertigung der Nanoantenne sind laufende Forschungsrichtungen in unserer Gruppe.”

Diese neue Forschung bietet etablierte Nanophotonik, um die Quantenkommunikation und Informationsnetzwerke voranzutreiben. Sie könnte zu neuen Arten von Quantentechnologien mit potenziellen Anwendungen in der Informationsicherheit und der Datenverarbeitung führen.