Nanoantenn för avancerad kvantkommunikation och datalagring

Forskare vid Osaka University, tillsammans med samarbetspartners, har tillverkat en nanoantenn som kan ha stora implikationer för ultra-säker, långdistans-kommunikation.

Den senaste studien publicerades i Applied Physics Express.

Laget förbättrade avsevärt foton-till-elektron-omvandlingen genom en metallnanostruktur, vilket kommer att främja utvecklingen av teknologier för delning och bearbetning av data.

Överföring av kvantinformation på lång distans

Eftersom klassisk datorinformation baseras på enkla på/av-läsningsvärden är det ganska lätt att använda en teknik som kallas förstärkare för att förstärka och överföra information över långa avstånd. Kvantinformation är dock mer komplex och baseras på säkra läsningsvärden, såsom elektronspinn.

Halvledar-nanoboxar, eller kvantdots, är material som forskare har undersökt för att lagra och överföra kvantinformation. Med det sagt är kvantförstärkarteknologier begränsade på olika sätt, inklusive den nuvarande metoden för att omvandla fotonbaserad information till elektronbaserad information. Denna process är mycket ineffektiv, vilket är varför forskargruppen satte sig för att leta efter nya sätt att övervinna denna omvandlings- och överföringsproblem.

Nanoantennen

Rio Fukai är huvudförfattare till studien.

“Effektiviteten för att omvandla enskilda fotoner till enskilda elektroner i galliumarsenid-kvantdots — vanliga material i kvantkommunikationsforskning — är för närvarande för låg”, säger Fukai. “Därför designade vi en nanoantenn — bestående av ultra-små koncentriska ringar av guld — för att fokusera ljus på en enda kvantdots, vilket resulterade i en spänningsläsning från vår enhet.”

En av de imponerande resultaten av denna studie är att laget kunde förbättra fotonabsorptionen med en faktor på upp till 9 jämfört med att inte använda nanoantennen. De flesta av de fotogenererade elektronerna blev inte fångade när en enda kvantdots belystes. Istället ackumulerades de i orenheter eller andra platser i enheten.

Överskottselektronerna gav en minimal spänningsläsning som kunde särskiljas från den som genererades av kvantdotselektronerna. Allt detta innebär att enhetens avsedda läsning inte stördes.

Akira Oiwa är seniorförfattare till forskningen.

“Teoretiska simuleringar visar att vi kan förbättra fotonabsorptionen med upp till en faktor på 25”, säger Oiwa. “Förbättring av justeringen av ljuskällan och mer exakt tillverkning av nanoantennen är pågående forskningsriktningar i vår grupp.”

Denna nya forskning tillhandahåller etablerad nanofotonik för att främja kvantkommunikation och informationsnätverk. Det kan leda till nya typer av kvantteknologier med potentiella tillämpningar inom informations säkerhet och data bearbetning.