大阪大学开发用于远距离、超安全量子通信的纳米天线

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在成熟的纳米科学基础上,大阪大学的一支研究团队,刚刚在《应用物理快报》上介绍了其新开发的用于远距离、超安全量子通信的纳米芯片。如图所示,通过利用表面等离子天线和量子点中的电子激发,这套方案能够将光子有效照射到半导体上。更棒的是,它还与即将到来的先进技术兼容,有助于提升量子信息载体之间的传输效率。

  (来自:2021 Oiwa Lab /Osaka University)

  对于正在开发中的量子技术来说,当今经典计算机所采用的基于“0”和“1”的信息存储和传输的编码形式,显然是远远不够的。

  而通过近日发表于《应用物理快报》上的《Detection of photogenerated single electrons in a lateral quantum dot with aSurfaceplasmon antenna》一文,我们得知:

  大阪大学已携手合作伙伴的研究人员,通过金属纳米结构显著增强了光电转换的效率 —— 这也是开发用于分享 / 处理数据的先进技术、使之更接近于实际应用需求的重要一步。

  据悉,经典计算机信息基于简单的“开 / 关”读数,所以通过相关中继放大技术来实现长距离信息传输,实现起来也是相对简单的。

  然而量子信息基于相对更复杂、更安全的量子物理特性,例如光子极化和电子自旋。因此被称作量子点的半导体纳米盒,就成为了许多研究人员所重点关注的量子信息存储 / 传输组件。

  然而量子中继技术存在着一些局限性,尤其是光电信息的转换非常低效。想要克服这种信息转换和传输挑战,正是大阪大学研究人员着力于解决的问题。

 

 

  截图(来自:Applied Physics Express)

  研究一作 Rio Fukai 解释称:在量子通信研究中常见的砷化镓量子点材料上,上单个光子转换为单个电子的效率,目前仍然极低。

  为此,该校研究团队设计了一种新型纳米天线 —— 它由超小的金同心环组成 —— 能够将光聚焦到单个量子点上,从而让中继设备能够轻松读取电压。

  与非纳米天线方案相比,研究人员将光子吸收效率提升了 9 倍。在照亮单个量子点后,大部分光生电子并没有被困住,而是积聚在设备中的杂质或其它位置。

  即便如此,这些多余的电子还是给出了一个最小的电压读数,使得我们能够轻松将之与量子点产生的电压读数区分开来,而不会破坏设备的预期读数。

  资深作者 Akira Oiwa 补充道:理论模拟表明,后续该技术有望将光子吸收效率提升到 25 倍。目前研究团队正打算从两方面着手,其一是改善光源对准、其二是更精确地制造纳米天线。

  展望未来,新技术有望在成熟的纳米光子学的基础上,推动即将到来的量子通信信息网络的发展。借助纠缠 / 叠加等抽象物理特性,量子技术或在数十年后带来前所未有的信息安全和数据处理应用。

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