Методы квантового шифрования, которые, вероятно, станут центральными для будущих методов шифрования данных, используют отдельные фотоны как чрезвычайно безопасный способ кодирования данных. Ограничением этих методов была способность испускать фотоны с высокой скоростью. «Одним из наиболее важных показателей качества однофотонных источников является яркость или количество фотонов в секунду, потому что чем она ярче, тем больше данных вы можете безопасно передать с помощью квантового шифрования», — сказал Юсиф Келайта, Nanoscale and Quantum Лаборатория фотоники, Стэнфордский университет, Калифорния.
В журнале Optical Materials Express от The Optical Society (OSA) Келайта и его коллеги показывают, что их новая нанополость значительно увеличила яркость излучения квантовых точек — полупроводниковых частиц нанометрового размера, которые могут излучать одиночные фотоны.Исследователи создали новую нанополость, используя серебро с высокой отражающей способностью для покрытия сторон наноразмерного полупроводникового столба, сидящего на подложке. Серебро заставляет свет отражаться внутри наностолба, превращая его в очень маленький оптический резонатор.
Исследователи говорят, что ту же конструктивную концепцию можно использовать для создания нанополостей из других материалов, адаптированных для разных однофотонных излучателей.Улавливание света в небольшом пространствеВ нанометровом масштабе свет уникальным образом взаимодействует с материалами. Одним из примеров является эффект Перселла, который увеличивает эффективность излучения квантовой точки или другого излучателя света, заключенного в небольшой резонатор.
Системы, демонстрирующие усовершенствование Парселла, будут излучать больше фотонов за заданный промежуток времени, что может позволить системам квантового шифрования работать быстрее, чем это возможно сейчас.Достижение улучшения по Перселлу выигрывает от чрезвычайно малых резонаторов, поскольку энергия передается между излучателем света и резонатором быстрее.
Также желательно иметь достаточно высокий коэффициент качества, означающий, что отражение полости позволяет свету отражаться в течение длительного времени.«Мы продемонстрировали новый тип резонатора, объем которого на несколько порядков ниже, чем у современных полупроводниковых систем», — сказал Келайта. «Система обеспечивает одновременно сильное усиление по Перселлу и высокую эффективность сбора света, что приводит к общему увеличению яркости однофотонного источника».Когда исследователи тестировали новые нанополости, они обнаружили, что квантовые точки, помещенные внутри нанополостей, излучают больше фотонов в секунду, чем квантовые точки, не расположенные внутри такой полости.
Поскольку нанополости открыты сверху, излучаемый свет может перемещаться прямо в воздух. Подобные нанополости, созданные ранее, были покрыты металлическим покрытием, которое было нежелательно для сбора испускаемых фотонов. Профиль излучения новых нанополостей также хорошо согласуется со стандартными линзами объектива микроскопа, что позволяет большому проценту света попадать в линзу.
Несоответствие между профилем излучения и линзами объектива микроскопа вызвало проблемные потери света в ранее разработанных системах с нанополостными полостями.Делаем крошечную полостьКоманда использовала модифицированную технику изготовления, чтобы решить проблему покрытия наностолбиков металлом. Высокие и тонкие наноструктуры, как правило, испытывают так называемые эффекты затенения, потому что в технологиях нанотехнологий используется процесс, при котором металл падает прямо на устройство, как снег.
«Если вы представите себе снег, падающий на дерево, он будет цепляться за себя и накапливаться на ветке так, что образует бугорок большей ширины, чем сама ветка», — сказала Келайта. «Это также происходит, когда металл осаждается на вершине чего-то вроде колонны. Когда металл цепляется за себя, он создает холмик большего размера, чем колонна под ним, предотвращая падение металла под части, которые затмевают колонну.
В конце концов, этот эффект затенения создает воздушный зазор в устройстве ».Чтобы решить эту проблему, исследователи одновременно вращали и наклоняли образец, чтобы покрыть сразу все стороны столба.
Даже при таком новом подходе они должны были быть осторожны с углом, под которым они наносили металл, чтобы избежать образования соединения между металлом, покрывающим стороны столба, и металлом сверху. Если соединение было сформировано, последний этап ультразвукового удаления металлического колпачка сверху был бы трудным или невозможным.«Другие группы, работающие с металлом, должны быть заинтересованы в этой технике, потому что этот эффект затенения возникает даже для элементов, которые полностью заключены в металл», — сказал Келайта.Еще лучшие нанополости
В настоящее время исследователи работают над созданием других видов нанополостей с еще лучшими характеристиками. Например, они хотят попытаться сделать нанополости в алмазе, которые позволят использовать источники однофотонов, работающих при комнатной температуре, что является ключевым требованием для включения квантового шифрования в потребительские устройства.
Они также хотят объединить знания, полученные в результате этой новой работы, с недавно разработанным алгоритмом обратного проектирования для автоматического проектирования фотонных устройств, интегрированных в кремниевые чипы. С помощью алгоритма инженеры определяют желаемую функцию, а программное обеспечение предоставляет инструкции по созданию структуры, которая выполняет эту функцию.