Giunzione laterale n-i-p comandata da SAW, e le sue proprietà elettriche e ottiche. a Schema del dispositivo. Le porte di superficie di elettroni e lacune inducono elettroni (regione n) e lacune (regione p) in un pozzo quantico di GaAs, formando una giunzione n-i-p laterale lungo un canale 1D inciso. Una SAW viene generata applicando un segnale RF a un trasduttore (posizionato a 1 mm dalla giunzione n-i-p). b Diagramma schematico che mostra la struttura a bande della giunzione n-i-p modulata dal potenziale SAW, per un forward bias applicato inferiore al bandgap. Un singolo elettrone è trasportato in ogni minimo SAW, creando un singolo fotone quando si ricombina con un buco. c Corrente S-D (in alto) e intensità EL (in basso) in funzione della frequenza RF applicata a una potenza RF di 9 dBm. Entrambi mostrano un miglioramento significativo intorno a 1.163 GHz, che è la frequenza SAW di risonanza dell'IDT. d Intensità EL guidata da SAW in funzione del tempo. La funzione periodica 860 ps corrisponde alla frequenza SAW applicata di 1.163 GHz. e Spettro energetico dell'EL guidato da SAW. Lo spettro mostra un picco a 1.531 eV (FWHM ~ 1 meV), che corrisponde all'energia degli eccitoni nel pozzo quantistico. Credito: Comunicazioni sulla natura (2020). DOI:10.1038/s41467-020-14560-1
I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno sviluppato una nuova tecnica per generare singoli fotoni, spostando singoli elettroni in un diodo a emissione di luce (LED) appositamente progettato. Questa tecnica, riportato sul giornale Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare lo sviluppo dei campi emergenti della comunicazione quantistica e del calcolo quantistico.
Un singolo fotone, la particella elementare di luce, può trasportare un bit quantico di informazioni per centinaia di chilometri. Perciò, una sorgente in grado di generare singoli fotoni è un elemento importante in molte tecnologie quantistiche. Fino ad ora, sorgenti a singolo fotone sono state realizzate nei laboratori di ricerca da punti quantici autoassemblati in semiconduttori, o difetti strutturali nei diamanti. La formazione di questi punti e difetti è un processo casuale, quindi è difficile prevedere la posizione e l'energia del fotone (o lunghezza d'onda) di queste sorgenti a singolo fotone. Questa casualità può rappresentare una sfida nell'integrazione di una sorgente in una grande rete quantistica.
In questo articolo, i ricercatori dimostrano di poter generare un singolo fotone in un diverso, controllato, modo, senza la necessità di un punto quantico o di un difetto, spostando solo un elettrone alla volta per ricombinarsi con un 'buco' (un elettrone mancante in una 'banda' piena di elettroni).
"Immaginate di provare a inviare un messaggio digitale sparando un flusso di palline blu o rosse su un muro nel modo seguente. Un nastro trasportatore con rientranze delle dimensioni di una palla trascina una serie di palline bianche su un pendio e le fa cadere da una scogliera alla fine. Ogni palla acquista velocità mentre cade, viene quindi spruzzato di blu o rosso (a seconda del messaggio) mentre rimbalza di lato e sopra il muro', spiega il dottor Tzu-Kan Hsiao, che ha fatto l'esperimento durante il suo dottorato di ricerca. a Cambridge.
`Le rientranze nel nastro trasportatore possono trasportare solo una palla ciascuna.
Viene spruzzata solo una palla alla volta, e non c'è possibilità che alcune delle palle vengano intercettate da un origliatore senza che la persona che riceve si accorga di una palla mancante, mentre se a volte arrivano due o più palline alla volta, l'intercettatore può catturare le palle dispari e il ricevitore non è più saggio. In quel modo, parte del messaggio potrebbe essere divulgato involontariamente.'
"Nell'esperimento, abbiamo realizzato un dispositivo vicino alla superficie dell'arseniuro di gallio (GaAs) utilizzando solo processi di fabbricazione compatibili con l'industria. Questo dispositivo è costituito da una regione di elettroni vicino a una regione di lacune, e uno stretto canale in mezzo', dice il professor Christopher Ford, capogruppo della ricerca.
"Per trasportare un solo elettrone alla volta, lanciamo un'onda sonora lungo la superficie. In GaAs una tale "onda acustica di superficie" crea anche un'onda potenziale elettrica di accompagnamento, in cui ogni minimo potenziale porta un solo elettrone. L'onda potenziale come un nastro trasportatore, porta i singoli elettroni nella regione dei fori uno dopo l'altro. Una serie di singoli fotoni viene generata quando ogni elettrone si ricombina rapidamente con una lacuna prima che arrivi l'elettrone successivo.
Ad ogni singolo fotone potrebbe essere data una delle due polarizzazioni per trasportare un messaggio in modo tale che un intercettatore non possa intercettare il messaggio senza essere rilevato.
Oltre ad essere una nuova sorgente a singolo fotone, ma ancora più importante, potrebbe essere possibile con questa nuova tecnica convertire lo stato di spin di un elettrone nello stato di polarizzazione di un fotone. Collegando computer quantistici basati su semiconduttori utilizzando singoli fotoni come qubit "volanti", l'ambizioso obiettivo di costruire reti di calcolo quantistico distribuite su larga scala può essere raggiunto.
