Nanopilars de silici per a la comunicació quàntica


Nanopilars de silici per a la comunicació quàntica

Els investigadors utilitzen una lent objectiva per provar la sortida de llum d’una sèrie de nanopilars de silici en un xip. Crèdit: HZDR / Juan Baratech

A tot el món, especialistes treballen en la implementació de tecnologies de la informació quàntica. Un camí important implica la llum: mirant cap endavant, els paquets de llum únics, també coneguts com a quants de llum o fotons, podrien transmetre dades codificades i a prova de toc de manera efectiva. Amb aquesta finalitat, es necessiten noves fonts de fotons que emetin quants de llum únics de manera controlada i sota demanda. Només recentment s’ha descobert que el silici pot allotjar fonts de fotons únics amb propietats adequades per a la comunicació quàntica. Fins ara, però, ningú ha sabut com integrar les fonts en circuits fotònics moderns.

Per primera vegada, un equip dirigit pel Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha presentat ara una tecnologia de producció adequada utilitzant silici nanopilars: A gravat químic mètode seguit de bombardeig iònic. La seva investigació es publica a la Revista de Física Aplicada.

“Les fonts de silici i d’un sol fotó en el camp de les telecomunicacions han estat durant molt de temps l’enllaç que falta per accelerar el desenvolupament de la comunicació quàntica mitjançant fibres òptiques. Ara hem creat les condicions prèvies necessàries per a això”, explica el doctor Yonder Berencén de l’Institut d’Ions de HZDR. Beam Physics and Materials Research que va dirigir l’estudi actual. Tot i que s’han fabricat fonts d’un sol fotó en materials com els diamants, només les fonts basades en silici generen partícules de llum a la longitud d’ona adequada per proliferar en fibres òptiques, un avantatge considerable per a finalitats pràctiques.

Els investigadors van aconseguir aquest avenç tècnic escollint una tècnica de gravat humit, el que es coneix com MacEtch (gravat químic assistit per metall), en lloc de les tècniques convencionals de gravat en sec per processar el silici en un xip. Aquests mètodes estàndard, que permeten la creació d’estructures fotòniques de silici, utilitzen ions altament reactius. Aquests ions indueixen defectes d’emissió de llum causats pel dany de la radiació al silici. Tanmateix, es distribueixen aleatòriament i superposen el senyal òptic desitjat amb soroll. El gravat químic assistit per metall, en canvi, no genera aquests defectes, sinó que el material es grava químicament sota una mena de màscara metàl·lica.

L’objectiu: Fonts de fotons únics compatibles amb la xarxa de fibra òptica

Mitjançant el mètode MacEtch, els investigadors van fabricar inicialment la forma més senzilla d’una estructura potencial de guia d’ones de llum: nanopilars de silici en un xip. Després van bombardejar els nanopilars acabats amb ions de carboni, tal com ho farien amb un bloc de silici massiu, i així van generar fonts de fotons incrustades als pilars. L’ús de la nova tècnica de gravat significa que la mida, l’espaiat i la densitat superficial dels nanopilars es poden controlar i ajustar amb precisió per ser compatibles amb els circuits fotònics moderns. Per xip de mil·límetre quadrat, milers de nanopilars de silici condueixen i agrupen la llum de les fonts dirigint-la verticalment a través dels pilars.

Els investigadors van variar el diàmetre dels pilars perquè “havíem esperat que això volgués dir que podríem realitzar la creació d’un sol defecte en pilars prims i, de fet, generar una única font de fotons per pilar”, explica Berencén. “No va funcionar perfectament la primera vegada. En comparació, fins i tot per als pilars més prims, la dosi del nostre bombardeig de carboni va ser massa alta. Però ara és només un petit pas per a les fonts de fotó individual”.

Aquest és un pas en el qual l’equip ja està treballant intensament perquè la nova tècnica també ha desencadenat una certa carrera per a futures aplicacions.

“El meu somni és integrar tots els blocs de construcció elementals, des d’una única font de fotons mitjançant elements fotònics fins a un sol detector de fotons, en un sol xip i després connectar molts xips mitjançant fibres òptiques comercials per formar una xarxa quàntica modular”, diu. Berencén.


Fotons individuals d’un xip de silici


Més informació:
Michael Hollenbach et al, nanopilars de silici gravats químicament assistits per metalls que allotgen emissors de fotons de telecomunicacions, Revista de Física Aplicada (2022). DOI: 10.1063/5.0094715

Michael Hollenbach et al, Enginyeria d’emissors d’un sol fotó de telecomunicacions en silici per a fotònica quàntica escalable, Òptica Express (2020). DOI: 10.1364/OE.397377

Citació: Nanopillars de silici per a la comunicació quàntica (2022, 20 de setembre) recuperat el 22 de setembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-silicon-nanopillars-quantum.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.