Nano-antenne maakt geavanceerde kwantumcommunicatie en -gegevensopslag mogelijk

Onderzoekers van de Osaka University, samen met hun samenwerkingspartners, hebben een nano-antenne gefabriceerd die grote implicaties kan hebben voor ultra-veilige, lange-afstandscommunicatie.

De recente studie is gepubliceerd in Applied Physics Express.

Het team heeft de conversie van fotonen naar elektronen aanzienlijk verbeterd door middel van een metalen nanostructuur, wat de ontwikkeling van technologieën voor het delen en verwerken van gegevens zal versnellen.

Kwantum-informatie op lange afstand verzenden

Aangezien klassieke computerinformatie gebaseerd is op eenvoudige aan/uit-lezingen, is het relatief eenvoudig om een technologie genaamd een repeater te gebruiken om informatie te versterken en over lange afstanden te verzenden. Kwantum-informatie is echter complexer en gebaseerd op beveiligde lezingen, zoals elektronenspin.

Halfgeleider-nanodozen, of kwantumdots, zijn materialen die onderzoekers hebben onderzocht om kwantum-informatie op te slaan en over te dragen. Met dat gezegd, zijn kwantum-repeater-technologieën op verschillende manieren beperkt, waaronder de huidige benadering van het omzetten van foton-gebaseerde informatie naar elektron-gebaseerde informatie. Dit proces is zeer inefficiënt, wat de reden is dat het team van onderzoekers op zoek is gegaan naar nieuwe manieren om dit conversie- en overdrachtsprobleem te overwinnen.

De nano-antenne

Rio Fukai is de hoofdauteur van de studie.

“De efficiëntie van het omzetten van enkele fotonen in enkele elektronen in galliumarsenide-kwantumdots — een veelvoorkomend materiaal in kwantumcommunicatieonderzoek — is momenteel te laag,” zegt Fukai. “Daarom hebben we een nano-antenne ontworpen — bestaande uit ultra-kleine concentrische ringen van goud — om licht te focussen op een enkele kwantumdot, waardoor een spanningsuitgang uit ons apparaat ontstaat.”

Een van de indrukwekkende resultaten van deze studie is dat het team de fotonabsorptie met een factor van maximaal 9 kon verhogen in vergelijking met het niet gebruiken van de nano-antenne. De meeste door licht gegenereerde elektronen werden niet vastgehouden toen een enkele kwantumdot werd verlicht. In plaats daarvan accumuleerden ze in onzuiverheden of andere locaties in het apparaat.

De overtollige elektronen gaven een minimale spanningsuitgang die kon worden onderscheiden van die gegenereerd door de kwantumelektronen. Dit betekent dat de beoogde uitgang van het apparaat niet werd verstoord.

Akira Oiwa is de senior auteur van het onderzoek.

“Theoretische simulaties geven aan dat we de fotonabsorptie met een factor van maximaal 25 kunnen verbeteren,” zegt Oiwa. “Het verbeteren van de uitlijning van de lichtbron en het meer precies fabriceren van de nano-antenne zijn lopende onderzoeksrichtingen in onze groep.”

Dit nieuwe onderzoek biedt gevestigde nanofotonica om kwantumcommunicatie en -informatienetwerken te verbeteren. Het kan leiden tot nieuwe soorten kwantumtechnologieën met potentiële toepassingen in informatieveiligheid en gegevensverwerking.