Um emissor quântico colocado centralmente dentro de uma antena bullseye híbrida de metal dielétrico, projetada para emissão de fótons altamente direcional. A estrutura exclusiva da antena permite que os fótons sejam acoplados de forma eficiente diretamente a uma fibra óptica, apresentando um aprimoramento fundamental na tecnologia fotônica quântica com implicações para comunicação segura e aplicações avançadas de computação quântica. Crédito: Alexander Nazarov
Um novo estudo da Universidade Hebraica fez um avanço significativo ao incorporar com sucesso o single-fóton fontes em pequenos chips que operam em temperatura ambiente. Este desenvolvimento marca um progresso crucial no campo da fotônica quântica, abrindo possibilidades para seu uso em Computação quântica e criptografia. Representa uma conquista importante na criação de dispositivos fotônicos quânticos utilizáveis, sinalizando uma perspectiva otimista para a realização completa das tecnologias quânticas, incluindo computação, comunicação e detecção.
Um estudo recente, liderado por Boaz Lubotzky durante seu doutorado. pesquisa, junto com o professor Ronen Rapaport do Instituto de Física Racah da Universidade Hebraica de Jerusalém, em colaboração com equipes do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) nos EUA e da Universidade de Ulm na Alemanha, revelou um avanço significativo em direção ao integração de chip de fontes de fóton único em temperatura ambiente. Essa conquista representa um avanço significativo no campo da fotônica quântica e é promissora para diversas aplicações, incluindo computação quântica, criptografia e detecção.
Inovação em Design de Antena
A principal inovação está na implementação de uma antena híbrida metal-dielétrica bullseye, que oferece excepcional direcionalidade de fótons. Este novo design de antena permite a retroexcitação eficiente de fótons, colocando o emissor dentro de um orifício de comprimento de onda posicionado no centro da antena. Esta configuração permite a retroexcitação direta e o acoplamento frontal altamente eficiente de emissão para ópticas de baixa abertura numérica ou fibras ópticas.
O estudo demonstra a versatilidade deste conceito ao fabricar dispositivos contendo pontos quânticos coloidais ou nanodiamantes contendo centros de lacunas de silício, ambos excelentes emissores de fótons únicos, mesmo em temperatura ambiente. Esses emissores foram posicionados com precisão usando dois métodos distintos de nanoposicionamento.
Fonte de fóton único acoplada a fibra. Crédito: Swati Foujdar
Notavelmente, ambos os tipos de dispositivos retroexcitados exibiram eficiências de coleta frontal de aproximadamente 70% em aberturas numéricas tão baixas quanto 0,5. Isso significa que é possível usar elementos ópticos muito simples e compactos e ainda coletar a maioria dos fótons no canal desejado ou enviar com precisão os fótons emitidos para uma fibra óptica próxima, sem a necessidade de qualquer acoplamento óptico adicional. Este é um ingrediente chave na integração de fontes de luz quântica em sistemas quânticos reais. Este processo simplificado promete simplificar os esforços futuros de integração e acelerar a realização de dispositivos fotônicos quânticos práticos.
Boaz Lubotzky comentou sobre a importância desta conquista, afirmando: “Ao superar os principais desafios associados à integração no chip de fontes de fóton único, abrimos novas e excitantes possibilidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas avançadas”.
A integração bem-sucedida de fontes de fóton único em minúsculos chips à temperatura ambiente, alcançada através do uso inovador de uma antena híbrida metal-dielétrica bullseye, tem aplicações imediatas no avanço da criptografia quântica para comunicação segura, melhorando tecnologias de detecção e simplificando o processo de integração para aplicações práticas. dispositivos fotônicos quânticos. As descobertas do estudo abrem portas para aplicações comerciais e para o desenvolvimento de novos produtos no crescente campo das tecnologias quânticas.
Referência: “Fontes de fóton único acopladas a fibra à temperatura ambiente baseadas em pontos quânticos coloidais e centros SiV em nanoantenas retroexcitadas” por Boaz Lubotzky, Alexander Nazarov, Hamza Abudayyeh, Lukas Antoniuk, Niklas Lettner, Viatcheslav Agafonov, Anastasia V. Bennett , Somak Majumder, Vigneshwaran Chandrasekaran, Eric G. Bowes, Han Htoon, Jennifer A. Hollingsworth, Alexander Kubanek e Ronen Rapaport, 2 de janeiro de 2024, Nano-letras.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03672
