Nella comunicazione ottica, le informazioni critiche che vanno dal numero di una carta di credito ai dati di sicurezza nazionale vengono trasmesse in flussi di impulsi laser. Però, l'informazione trasmessa in questo modo può essere sottratta scindendo alcuni fotoni (il quanto di luce) dell'impulso laser. Questo tipo di intercettazione potrebbe essere prevenuto codificando bit di informazione sugli stati della meccanica quantistica (ad esempio lo stato di polarizzazione) di singoli fotoni. La capacità di generare singoli fotoni su richiesta è la chiave per la realizzazione di un tale schema di comunicazione.

Dimostrando che l'incorporazione di nanotubi di carbonio a parete singola incontaminati in una matrice di biossido di silicio (SiO2) potrebbe portare alla creazione di uno stato di drogante di ossigeno solitario in grado di essere privo di fluttuazioni, emissione di singoli fotoni a temperatura ambiente, I ricercatori di Los Alamos hanno rivelato un nuovo percorso verso la generazione di singoli fotoni su richiesta. Nanotecnologia della natura pubblicato i loro risultati.

I fotoni emessi dai laser sono distribuiti casualmente nel tempo. Perciò, È possibile l'emissione "simultanea" di due o più fotoni. La vera generazione di un singolo fotone richiede un sistema quantomeccanico isolato a due livelli in grado di emettere un solo fotone in un ciclo di eccitazione-emissione. I requisiti tecnologici dei materiali per la comunicazione quantistica includono la capacità di generare singoli fotoni in 1, 300 – 1, Gamma di lunghezze d'onda di telecomunicazione di 500 nanometri (nm) a temperatura ambiente e compatibilità con la tecnologia di microfabbricazione del silicio per consentire la stimolazione elettrica e l'integrazione di altri componenti di rete elettronici e fotonici. Studi precedenti hanno rivelato che i nanotubi di carbonio presentano sfide tecniche per l'uso nelle comunicazioni quantistiche:1) i materiali erano in grado di emettere un singolo fotone solo a temperatura criogenica, e 2) la loro emissione inefficiente ha avuto forti fluttuazioni e degrado.

La nuova ricerca del laboratorio ha dimostrato che l'incorporazione di nanotubi di carbonio incontaminati in una matrice di biossido di silicio (SiO2) potrebbe portare all'incorporazione di stati solitari di drogante di ossigeno in grado di essere privi di fluttuazioni, emissione di singolo fotone a temperatura ambiente nella gamma di lunghezze d'onda 1100 - 1300 nm.

I nanotubi drogati con ossigeno possono essere incapsulati in uno strato di SiO2 depositato su un wafer di silicio. Ciò rappresenta un'opportunità per applicare tecnologie di fabbricazione microelettronica consolidate per lo sviluppo di sorgenti di singoli fotoni azionate elettricamente e l'integrazione di queste sorgenti in dispositivi e reti fotonici quantistici. Oltre all'implementazione delle tecnologie di comunicazione quantistica, le sorgenti di singoli fotoni basate su nanotubi potrebbero consentire tecnologie quantistiche trasformative, comprese misurazioni di assorbimento ultrasensibili, sub-diffrazione immagini, e calcolo quantistico lineare. Il materiale ha potenziale per fotonico, plasmonico, optoelettronico, e applicazioni di scienza dell'informazione quantistica.

Utilizzando un rivelatore di fotoni all'avanguardia, il team ha misurato la distribuzione temporale di due successivi eventi di emissione di fotoni e ha dimostrato l'emissione di singoli fotoni. Inoltre, il team ha studiato gli effetti della temperatura sull'efficienza delle emissioni di fotoluminescenza, fluttuazioni, e dinamica di decadimento degli stati droganti nel nanotubo di carbonio a parete singola. I ricercatori hanno determinato le condizioni più adatte per l'osservazione dell'emissione di singoli fotoni. In linea di principio, l'emissione potrebbe essere regolata a 1500 nm tramite il drogaggio di nanotubi di carbonio a parete singola con band-gap più piccoli. Questo è un netto vantaggio rispetto ad altri materiali, in cui l'emissione di un singolo fotone è possibile solo per poche lunghezze d'onda discrete inferiori a 1 µm.