大阪大學(xué)開發(fā)用于遠(yuǎn)距離、超安全量子通信的納米天線

  ICC訊 在成熟的納米科學(xué)基礎(chǔ)上，大阪大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)，剛剛在《應(yīng)用物理快報(bào)》上介紹了其新開發(fā)的用于遠(yuǎn)距離、超安全量子通信的納米芯片。 如圖所示，通過利用表面等離子天線和量子點(diǎn)中的電子激發(fā)，這套方案能夠?qū)⒐庾佑行д丈涞桨雽?dǎo)體上。更棒的是，它還與即將到來的先進(jìn)技術(shù)兼容，有助于提升量子信息載體之間的傳輸效率。

  對(duì)于正在開發(fā)中的量子技術(shù)來說，當(dāng)今經(jīng)典計(jì)算機(jī)所采用的基于“0”和“1”的信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)木幋a形式，顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

  而通過近日發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》上的《Detection of photogenerated single electrons in a lateral quantum dot with a Surface plasmon antenna》一文，我們得知：

  大阪大學(xué)已攜手合作伙伴的研究人員，通過金屬納米結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了光電轉(zhuǎn)換的效率 —— 這也是開發(fā)用于分享 / 處理數(shù)據(jù)的先進(jìn)技術(shù)、使之更接近于實(shí)際應(yīng)用需求的重要一步。

  據(jù)悉，經(jīng)典計(jì)算機(jī)信息基于簡(jiǎn)單的“開 / 關(guān)”讀數(shù)，所以通過相關(guān)中繼放大技術(shù)來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離信息傳輸，實(shí)現(xiàn)起來也是相對(duì)簡(jiǎn)單的。

  然而量子信息基于相對(duì)更復(fù)雜、更安全的量子物理特性，例如光子極化和電子自旋。因此被稱作量子點(diǎn)的半導(dǎo)體納米盒，就成為了許多研究人員所重點(diǎn)關(guān)注的量子信息存儲(chǔ) / 傳輸組件。

  然而量子中繼技術(shù)存在著一些局限性，尤其是光電信息的轉(zhuǎn)換非常低效。想要克服這種信息轉(zhuǎn)換和傳輸挑戰(zhàn)，正是大阪大學(xué)研究人員著力于解決的問題。

  研究一作 Rio Fukai 解釋稱：在量子通信研究中常見的砷化鎵量子點(diǎn)材料上，上單個(gè)光子轉(zhuǎn)換為單個(gè)電子的效率，目前仍然極低。

  為此，該校研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型納米天線 —— 它由超小的金同心環(huán)組成 —— 能夠?qū)⒐饩劢沟絾蝹€(gè)量子點(diǎn)上，從而讓中繼設(shè)備能夠輕松讀取電壓。

  與非納米天線方案相比，研究人員將光子吸收效率提升了 9 倍。在照亮單個(gè)量子點(diǎn)后，大部分光生電子并沒有被困住，而是積聚在設(shè)備中的雜質(zhì)或其它位置。

  即便如此，這些多余的電子還是給出了一個(gè)最小的電壓讀數(shù)，使得我們能夠輕松將之與量子點(diǎn)產(chǎn)生的電壓讀數(shù)區(qū)分開來，而不會(huì)破壞設(shè)備的預(yù)期讀數(shù)。

  資深作者 Akira Oiwa 補(bǔ)充道：理論模擬表明，后續(xù)該技術(shù)有望將光子吸收效率提升到 25 倍。目前研究團(tuán)隊(duì)正打算從兩方面著手，其一是改善光源對(duì)準(zhǔn)、其二是更精確地制造納米天線。

  展望未來，新技術(shù)有望在成熟的納米光子學(xué)的基礎(chǔ)上，推動(dòng)即將到來的量子通信信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。借助糾纏 / 疊加等抽象物理特性，量子技術(shù)或在數(shù)十年后帶來前所未有的信息安全和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。