Forscher vom Los Alamos National Laboratory haben eine neue Methode entwickelt, um zirkular polarisierte einzelne Photonen zu erzeugen – also Teilchen des Lichts – ohne die Notwendigkeit eines externen Magnetfeldes. Hierfür haben sie zwei verschiedene atomar dünne Materialien übereinandergestapelt und somit eine chirale Quantenlichtquelle geschaffen. Bisher wurde dieses Ziel nur durch den Einsatz von starken Magnetfeldern, komplexen nanostrukturierten photonischen Strukturen oder spinpolarisierten Trägern erreicht. Der Vorteil dieses neuen Ansatzes liegt in seiner kostengünstigen Herstellung und Zuverlässigkeit. Die Fähigkeit, den Polarisationszustand eines einzelnen Photonenschauers zu kontrollieren, ist ein wichtiger Schritt hin zu Anwendungen in der Quantenkryptografie und -kommunikation. Die Forscher verwendeten die Rasterkraftmikroskopie, um nanometerskalige Vertiefungen auf den gestapelten Materialien zu erzeugen. Diese Vertiefungen bildeten eine Quelle für einzelne Photonen, wenn sie von einem Laser angeregt wurden. Zudem störten die Vertiefungen die magnetischen Eigenschaften des darunter liegenden Materials, was zu zirkular polarisierten Photonen führte. Das Team arbeitet derzeit daran, die Polarisation der einzelnen Photonen zu modulieren, was die Codierung von Quanteninformationen ermöglicht. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung photonischer Schaltungen für ein ultrasicheres Quanten-Internet.
Einführung
Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory haben eine bahnbrechende Methode zur Erzeugung zirkular polarisierter Einzelphotonen entwickelt. Diese Errungenschaft beseitigt die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds und eröffnet neue Möglichkeiten für die Quantenkryptographie und -kommunikation.
Traditionelle Methoden und Vorteile des neuen Ansatzes
Bisher erforderte die Erzeugung zirkular polarisierter Einzelphotonen hohe Magnetfelder, komplexe nanoskalige photonische Strukturen oder spinpolarisierte Träger. Der neue von dem Team am Los Alamos National Laboratory entwickelte Ansatz bietet jedoch mehrere signifikante Vorteile. Die Hauptvorteile sind:
- Kostengünstige Herstellung
- Zuverlässigkeit
Entwicklung der chiralen quantenoptischen Lichtquelle
Durch das Stapeln von zwei verschiedenen atomar dünnen Materialien konnte das Team eine chirale quantenoptische Lichtquelle erzeugen. Diese Quelle erzeugt zirkular polarisierte Einzelphotonen, ohne auf externe Magnetfelder angewiesen zu sein. Das Stapeln dieser Materialien stört die magnetischen Eigenschaften des darunter liegenden Materials und führt zur Erzeugung zirkular polarisierter Photonen.
Nanometerskalige Vertiefungen und Emission einzelner Photonen
Die Forscher nutzten die Rasterkraftmikroskopie, um nanometerskalige Vertiefungen auf den gestapelten Materialien zu erzeugen. Diese Vertiefungen dienen als Quellen, aus denen bei Anregung durch einen Laser einzelne Photonenströme emittiert werden. Durch die Einführung dieser Vertiefungen wird auch die magnetischen Eigenschaften des darunter liegenden Materials gestört, was zur Erzeugung zirkular polarisierter Photonen führt.
Die Bedeutung der Kontrolle der Polarisation
Ein entscheidender Aspekt dieses Fortschritts ist die Fähigkeit, den Polarisationszustand des einzelnen Photonstroms zu kontrollieren. Die Forscher arbeiten derzeit daran, Möglichkeiten zur Modulation der Polarisation der einzelnen Photonen zu entwickeln. Diese Modulation würde es ermöglichen, quantenmechanische Informationen zu codieren und somit den Weg für Anwendungen in der Quantenkryptographie und -kommunikation ebnen.
Zukünftige Anwendungen: Photonische Schaltkreise für ein ultrasiicheres Quanteninternet
Das ultimative Ziel der Forscher am Los Alamos National Laboratory besteht darin, photonische Schaltkreise zu schaffen, die ein ultrasiicheres Quanteninternet ermöglichen. Durch die Möglichkeit, zirkular polarisierte Einzelphotonen zu erzeugen und zu kontrollieren, machen die Forscher bedeutende Fortschritte auf dem Weg zu einem Quanteninternet, das die Kommunikation und die Kryptographie revolutionieren kann.
Conclusion
Die Entwicklung einer kostengünstigen, zuverlässigen Methode zur Erzeugung zirkular polarisierter Einzelphotonen ohne externe Magnetfelder ist eine bemerkenswerte Leistung. Die Fähigkeit, den Polarisationszustand einzelner Photonen zu kontrollieren, eröffnet neue Möglichkeiten für die Codierung von quantenmechanischen Informationen, die Quantenkryptographie und -kommunikation. Die Forscher am Los Alamos National Laboratory stehen an vorderster Front dieser bahnbrechenden Forschung, und ihre Arbeit bringt uns einen Schritt näher zur Realisierung eines ultrasiicheren Quanteninternets.
