Wir interagieren jeden Tag mit Bits und Bytes – sei es durch das Senden einer Textnachricht oder den Empfang einer E-Mail.
Es gibt auch Quantenbits oder Qubits, die sich entscheidend von gewöhnlichen Bits und Bytes unterscheiden. Diese Photonen – Lichtteilchen – können Quanteninformationen transportieren und außergewöhnliche Fähigkeiten bieten, die auf andere Weise nicht erreicht werden können. Im Gegensatz zum binären Rechnen, bei dem Bits nur 0 oder 1 darstellen können, liegt das Verhalten von Qubits im Bereich der Quantenmechanik. Durch „Überlagerung“ kann ein Qubit eine 0, eine 1 oder ein beliebiges Verhältnis dazwischen darstellen. Dadurch erhöht sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Quantencomputers im Vergleich zu heutigen Computern erheblich.
„Das Erlernen der Fähigkeiten von Qubits war eine treibende Kraft für das aufstrebende Gebiet der Quantentechnologien und eröffnete neue und unerforschte Anwendungen wie Quantenkommunikation, Computer und Sensorik“, sagte Hong Koo Kim, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Universität von Pittsburgh Swanson School of Engineering.
Quantentechnologien sind für eine Reihe von Bereichen wichtig, etwa für Banken, die Finanzinformationen schützen oder Forschern die nötige Geschwindigkeit geben, um alle Aspekte der Chemie nachzuahmen. Und durch Quanten-„Verschränkung“ könnten Qubits als ein einziges System über weite Entfernungen „kommunizieren“. Kim und sein Doktorand Yu Shi machten eine Entdeckung, die der Quantentechnologie zu einem Quantensprung verhelfen könnte.
Es beginnt mit einem einzelnen Photon
Photonenbasierte Quantentechnologien basieren auf Einzelphotonenquellen, die einzelne Photonen emittieren können.
Diese einzelnen Photonen können aus Halbleitern im Nanometerbereich, besser bekannt als Quantenpunkte, erzeugt werden. Ähnlich wie Mikrowellenantennen Mobiltelefonsignale übertragen, fungiert ein Quantenpunkt als Antenne, die Licht ausstrahlt.
„Durch eine gründliche Analyse haben wir herausgefunden, dass ein Quantenpunktemitter – oder eine Dipolantenne im Nanometerbereich – eine große Energiemenge einfängt“, erklärte Kim. „Die Funktionsweise eines Dipol-Emitters im äußeren Regime ist gut verstanden, aber dies ist wirklich das erste Mal, dass ein Dipol im Inneren untersucht wurde.“
Photonen aus diesen Quantenpunkten kommen mit Händigkeit heraus, so wie wir Rechts- oder Linkshänder sind, und Quanteninformationen werden durch diese Händigkeit einzelner Photonen übertragen. Daher ist es eine wichtige Aufgabe für die Quanteninformationsverarbeitung, sie in verschiedene Pfade zu unterteilen. Kims Team hat eine neue Methode entwickelt, um andershändige Photonen zu trennen und sie effizient für die weitere Verarbeitung zu sammeln.
„Die Ergebnisse dieser Arbeit werden voraussichtlich zur Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Einzelphotonenquellen beitragen, einer entscheidenden Komponente, die in der Quantenphotonik benötigt wird“, sagte Kim.
Der Artikel „Spin Texture and Chiral Coupling of Circularly Polarized Dipole Field“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht. Nanophotonik.
Mehr Informationen:
Yu Shi et al., Spintextur und chirale Kopplung zirkular polarisierter Dipolfelder, Nanophotonik (2023). DOI: 10.1515/nanoph-2022-0581