Cząsteczki światła w podwójnej dawce

© TU Berlin

Punkt kwantowy – rodzaj sztucznego atomu – jest schładzany w kriostacie do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Za pomocą lasera generowane są bliźniacze fotony, które są zbierane za pomocą obiektywu mikroskopu. (© Oana Popa/PR/TU Berlin)

Fizycy z grupy AG Optoelektronik und Quantenbauelemente pod kierunkiem Prof. Dr. Stephana Reitzensteina opracowują nowatorskie źródło światła kwantowego do generowania bliźniaczych fotonów / publikacja w Nature Communications.

Fizyka kwantowa jest między innymi dlatego tak trudna do zrozumienia, ponieważ odpowiednie badania najczęściej odbywają się w mikrokosmosie pojedynczych atomów, elektronów i fotonów – czyli nieuchwytnym dla ludzkiego oka. Jednak obecnie wiadomo, że efekty kwantowe mają również wpływ na makroskopowy świat. Z badań wiadomo, że komórki siatkówki oka żaby, tak zwane komórki pręcikowe, mogą nawet wykrywać pojedynczy foton. Naukowcy z Singapuru udowodnili, że nawet przy tej samej jasności różnych rodzajów światła (czyli tej samej liczbie fotonów na jednostkę czasu), komórki pręcikowe oka rozpoznają różnicę między światłem klasycznym a światłem kwantowym. To umożliwia zupełnie nowe interdyscyplinarne zastosowania źródeł światła kwantowego w biologii kwantowej, czyli na pograniczu fizyki kwantowej i biologii, które na razie brzmią jeszcze jak science-fiction.

Podczas gdy badania w dziedzinie optyki kwantowej do tej pory koncentrowały się głównie na podstawowych zagadnieniach, w ostatnich latach poczyniono znaczne postępy w generowaniu nieliniowych stanów światła i tym samym w kierunku nowych zastosowań. Jednak opracowanie odpowiednich źródeł światła kwantowego nadal stanowi ogromne wyzwanie: „Już sama definicyjna produkcja źródła pojedynczych fotonów – które między innymi mogłoby być wykorzystywane do rozwoju systemów bezpiecznej kryptografii – jest dziś jeszcze technologią wysokiego szczebla” – opisuje dr Tobias Heindel, pracownik grupy badawczej pod kierunkiem Prof. Dr. Stephana Reitzensteina z dziedziny optoelektroniki i elementów kwantowych na TU Berlin, stan techniki.

Ta grupa badawcza po raz pierwszy zdołała celowo wyprodukować źródło światła kwantowego oparte na półprzewodnikowych punktach kwantowych, które może generować pary identycznych fotonów – tak zwane bliźniacze fotony. Dr Tobias Heindel, Alexander Thoma i inni pracownicy grupy zastosowali do tego celu wysoce zoptymalizowany element kwantowy pod kierunkiem profesora Reitzensteina. „W ostatnich latach w naszej grupie opracowano specjalną, unikalną na skalę światową technikę, zwaną 3D-in-situ elektronową lithografią wiązką elektronów, w której mikrosoczewka jest precyzyjnie umieszczana nad kwantowym punktem o wielkości kilku nanometrów (1 nm to jedna milionowa milimetra). Ten punkt kwantowy może niemal na kliknięcie wysyłać fotony, które dzięki specjalnej mikrosoczewce są kierowane w określonym kierunku i mogą być wykrywane” – wyjaśnia Tobias Heindel. Dzięki specjalnym metodom pomiarowym naukowcy zdołali wyizolować dotąd unikalny punkt kwantowy, zdolny do emisji bliźniaczych fotonów. „Naszym kolejnym celem jest opracowanie metody, dzięki której dowolny punkt kwantowy można przekształcić w źródło światła bliźniaczych fotonów.” Produkcja tych elementów kwantowych została możliwa dzięki doskonałej infrastrukturze Centrum Nanofotoniki na TU Berlin.

„Również inne grupy badawcze już osiągnęły sukces w generowaniu bliźniaczych fotonów na bazie naturalnych atomów lub nieliniowych kryształów” – mówi Heindel. Główną zaletą berlińskiego źródła bliźniaczych fotonów opartego na punktach kwantowych jest jednak to, że pary fotonów można niemal na kliknięcie emitować. W połączeniu z mikrosoczewkową strukturą powstaje w ten sposób wyjątkowo jasne źródło fotonów. „Nasz podejście pozwala zwiększyć liczbę generowanych par fotonów bliźniaczych aż pięciokrotnie” – relacjonuje Heindel. Aby bezpośrednio wykryć emitowane bliźniacze fotony, fizycy we współpracy z Fizyczno-Technicznym Instytutem Federalnym w Berlinie sięgnęli po wysoce czuły detektor nadprzewodzący, który potrafi zliczać fotony w impulsie świetlnym.

Prace nad tym nowatorskim źródłem światła kwantowego powstały w ramach specjalnego obszaru badawczego 787 „Półprzewodniki – nanofotonika” oraz projektu VIP BMBF „QSOURCE”. Zostały opublikowane w najnowszym wydaniu renomowanego czasopisma naukowego Nature Communications. *

* Heindel, T. i in. Jasne wyzwalane źródło bliźniaczych fotonów w stanie stałym.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).