Kontrol af fotonudsendelsen
For tre år siden beskrev jeg, hvordan "kunstige atomer" - såkaldte kvantepunkter - indlejret i nanofotoniske strukturer måske kan være et praktisk skridt i retning af at skabe en kvantecomputer.
Fordi udsendelsen af enkelte fotoner - der kan blive en vigtig byggesten i et kvantekommunikationsnetværk - fra et atom eller et kvantepunkt ikke alene er bestemt af egenskaber ved atomet eller kvantepunktet, men kan påvirkes af egenskaberne af den struktur, det placeres i, er det interessant at lege med designet af denne struktur.
I en kavitet vil udsendelsen af enkelte fotoner kunne kraftigt reduceres eller forstærkes afhængigt af, om fotonudsendelsen foregår tæt ved en karakteristisk frekvens for en af de bølger, der kan stå i kaviteten.
I en bølgeleder findes der ikke sådanne resonante bølger, og reduktionen eller forstærkningen vil derfor generelt ikke være så stor som i en kavitet. Til gengæld vil en eventuelt mindre forstærkning ikke være begrænset til et smalt spektralt område omkring den karakteristiske frekvens som i kaviteten, dvs. bølgelederen har typisk en mere bredbåndet indvirkning på atomet eller kvantepunktet.
Laver man bølgelederen i en periodisk struktur, en såkaldt fotonisk krystal, kan egenskaberne af bølgelederen dog ændres radikalt. Fordi strukturen er periodisk, vil der opstå såkaldt Bragg-spredning, som ved bestemte frekvenser betyder, at den løbende bølge i bølgelederen løber relativt langsomt.
Dette kaldes for langsomt lys, og er man i denne situationen, er indvirkningen lidt som i kaviteten; fotonudsendelsen kan forstærkes kraftigt. Der er dog stadig tale om en løbende bølge, dvs. den udsendte foton vil løbe igennem bølgelederen og kan dermed transporteres videre i eller ud af strukturen.
Fotoniske krystaller
Denne overordnede idé beskrev Kleppner allerede i 1981, mens at det mere konkrete forslag med brug af fotoniske krystal-bølgeledere blev foreslået af Hughes i 2004 [1].
Eksperimentelt har danske Peter Lodahls gruppe været langt fremme i dette spørgsmål, bl.a. med en første demonstration i 2008 og endnu en, dækket her på siderne, i 2014.
Et kritisk aspekt, hvis sådanne enkeltfotonkilder virkelig skal kunne anvendes i kvantekommunikationsnetværk, er imidlertid, at man ikke bare kan producere én enkelt foton med ét kvantepunkt i den fotoniske krystal - men at man på kontrolleret vis kan producere flere enkelte fotoner, uafhængigt af hinanden.
Kort fortalt har man hertil behov for at kunne kontrollere placeringen af flere kvantepunkter i den fotoniske krystal, idet effekten af den fotoniske krystal på kvantepunktets udsendelse af fotoner afhænger meget af kvantepunktets position [2].
Positionskontrollerede kvantepunkter
Nu, tre år efter jeg var i Lausanne og arbejde med en gruppe på École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) om netop dette emne, har de færdiggjort eksperimenter med flere positionskontrollerede kvantepunkter i en fotonisk krystal-bølgeleder. Resultaterne er netop blevet udgivet i tidsskriftet Applied Physics Letters, med min tidligere kontorfælle Bruno Rigal som førsteforfatter.
Fig. 1 i "Single photon extraction and propagation in photonic crystal waveguides incorporating site-controlled quantum dots"
I artiklen demonstrerer de kobling af op til fem kvantepunkter til den samme fotoniske krystal-bølgeleder, og de studerer bl.a., hvordan kvantepunkternes fotonudsendelse og -udbredelse kan styres med de parametre, som definerer geometrien for den fotoniske krystal.
De estimerer også beta-faktoren, der angiver den relative kobling fra kvantepunkterne til bølgelederen (hvor kobling til alle andre kanaler, radiative såvel som ikke-radiative, udgør tab), ud fra flere fremstillede strukturer og tilhørende målinger.
De finder en beta-faktor på 88%, hvilket er lavere end de godt 98%, danske forskere tidligere har rapporteret. EPFL-gruppen kommenterer dog, at deres resultater inkluderer statistiske fluktuationer af kvantepunkternes fotonudsendelse, når de ikke er koblet til bølgelederen, hvilket tidligere studier ikke gør; dette kan ifølge EPFL-gruppen lede til et overestimat af beta-faktoren.
Et lille skridt imod kvantecomputeren
Alt i alt rigtig spændende resultater, som bringer forskningen med at bruge nanofotoniske strukturer til at skabe effektive og skalerbare enkeltfotonkilder et skridt videre. Selvom jeg ikke, bortset fra nogle spæde beregninger og diskussioner for et par år siden, har nogle aktier i det her arbejde, er jeg også glad for mine tidligere EPFL-kollegers fremskridt.
Et stort skridt for dem, og måske - forhåbentlig - et lille skridt imod kvantecomputeren.
Noter
[1] Selvsamme Stephen Hughes vidste derfor i høj grad, hvad han talte om, da han var opponent til mit ph.d.-forsvar.
[2] For en illustration af positionsafhængigheden, se Figur 8.9 på s. 99 i min ph.d.-afhandling. I disse figurer er den mest interessante størrelse den såkaldte beta-faktor, og denne varierer fra et sted imellem 80% og 100% til 0% ved en flytning fra fra xD = 0 til xD = a. Størrelsen a er den såkaldte gitterkonstant, som er nogle få hundrede nanometer, dvs. en forkert placering af kvantepunktet med nogle få hundrede nanometer ødelægger fuldstændig forstærkningen af fotonudsendelsen.
