Partnerskap av ljuselement: förbättrad kvantintrassling på nanoskalan för effektivare kvantteknologi

StockholmForskare från Columbia Engineering har gjort ett betydande genombrott i att skapa fotonpar, viktiga för kvantteknologier, med hjälp av en mycket mindre och energieffektiv enhet. Under ledning av Associate Professor P. James Schuck har teamet utvecklat en metod med tunna lager av ett van der Waals-material kallat molybdendisulfid. Detta genombrott syftar till att förbättra grunden för framtida integration av kvantenheter på chips, vilket ökar energieffektiviteten och funktionerna.

Den nya enheten är endast 3,4 mikrometer tjock och skulle kunna förändra sättet att bygga kvantsystem. Forskarteamet staplade sex tunna kristallskikt av molybdendisulfid, där varje lager roterades 180 grader från sina grannar. När ljuset passerar genom dessa lager upplever det kvasi-fas-matchning, vilket möjliggör skapandet av fotonpar användbara för kommunikationstekniker. Detta är första gången en sådan metod har använts i van der Waals-material för generering av fotonpar.

Fördelarna med denna nya metod är bland annat:

• Högre effektivitet i att skapa fotonpar.
• Minskning av fel jämfört med tidigare metoder.
• Möjlighet till betydande energibesparingar.
• Kompatibel med teknik för chipintegration.
• Användningar inom satellitkommunikation och mobila kvantnätverk.

Framgången i denna forskning bygger på gruppens tidigare upptäckter. Under 2022 identifierade de begränsningar med användningen av molybdendisulfid på grund av ljusvågsinterferens, ett problem de nu har löst. Genom att smart arrangera kristallens orientering har de lyckats skapa effektiva fotonpar på mindre skala.

Det övergripande målet med denna forskning, som stöds av energifrontierforskningscentret vid Columbia finansierat av USA:s energidepartement, är att utnyttja kvantmaterialens potential. Med detta framsteg har forskare vid Columbia Engineering, som Chiara Trovatello och hennes kollegor, banat väg för att ersätta skrymmande traditionella kristaller med mer effektiva material för framtida kvanttillämpningar.

Effekter av nanoskaliga enheter

Den nyutvecklade nanoskalanordningen har en betydande inverkan på flera viktiga områden. Den tar oss närmare att integrera nödvändiga kvantkomponenter i kompakta och energieffektiva system. Denna forskning representerar ett stort framsteg i att minska storleken på teknologin som behövs för kvantkommunikation och -bearbetning. Här är varför detta är viktigt:

• Enheten är kompakt men kraftfull, vilket möjliggör integration i standardkiselchipp.
• Den ökar energieffektiviteten och minskar energibehovet för kvantteknologier.
• Användningen av van der Waals-material öppnar upp nya möjligheter för kvantfotoniska arkitekturer.

Föreställ dig framtidens teknik som använder mindre energi och samtidigt levererar snabbare och mer pålitlig kommunikation. Denna enhet banar väg för sådana framsteg. Genom att minska storleken på systemet som behövs för att generera intrasslade fotonpar, gör den kvantteknologi mer praktisk och implementerbar. Detta möjliggör mer omfattande användning, från att förbättra telekommunikationsinfrastruktur till att utveckla säker kvantkommunikation för mobila enheter och satelliter.

Användningen av van der Waals-material som molybdendisulfid representerar en avancerad teknologi. Dessa material, när de lagras strategiskt, hanterar ljus med hög effektivitet och låg felmarginal. Detta minskar risken för felaktig justering av fotonpar, vilket resulterar i mer konsekventa resultat. En sådan tillförlitlighet är avgörande för att framtida teknologier ska fungera smidigt och effektivt.

Implikationerna sträcker sig längre än att enbart göra saker mindre och mer effektiva. De innebär att kvantteknologier får en bredare tillämpning inom vanliga användningsområden. Industrier som är beroende av precisa optiska tekniker, såsom rymd- och telekommunikationssektorerna, kan dra stor nytta av detta. Detta genombrott är ett steg mot praktiska kvantteknologier som kan integreras i befintliga och nya infrastrukturer. När vi fortsätter att utnyttja dessa utvecklingar kommer landskapet för hög hastighet och säker kommunikation att förändras snabbt. Dessa framsteg kommer att utgöra de grundläggande elementen för nästa kapitel i kvantteknikens era.

Framtida kvantapplikationer

Framstegen inom skapandet av sammanflätade fotonpar med hjälp av nanomaterial banar väg för en ny era inom kvantteknologi. Dessa förbättringar ger en inblick i vad som är möjligt när kvantapplikationer utvecklas bortom sina nuvarande begränsningar. Integrationen av mycket effektiva, småskaliga kvantenheter öppnar upp spännande möjligheter. Här är några möjliga användningsområden:

• Förbättrade telekommunikationer med snabbare datatransferhastigheter
• Säkrare kryptering genom avancerad kvantkommunikation
• Utveckling av mer känslig laboratorieutrustning
• Effektiv kvantdatoranvändning med minskad energikonsumtion
• Utökning av satellitbaserade kommunikationsnätverk

Den smidiga integreringen av denna nya teknik i befintliga kiselchips innebär att vi kan förvänta oss att enheter blir både kraftfullare och mer energieffektiva. Detta går hand i hand med industrins skifte mot miljövänligare teknologier. Dessutom banar den pålitliga genereringen av sammanflätade fotoner i liten skala väg för användning inom olika sektorer. Till exempel kommer kvantkommunikation att förändras radikalt med denna innovation. Framväxande teknologier som kvantkryptering kommer att ge enastående säkerhetsnivåer och skydda data på sätt som traditionella metoder inte kan matcha.

Dessutom minimerar denna metod utmaningarna som större, mer skrymmande system står inför tack vare dess höga effektivitet och lägre felmarginaler. Det är nu möjligt att föreställa sig kvantdatorplattformar som både är kompakta och kan utföra uppgifter som klassiska datorer har svårt med, som att lösa komplexa simuleringar och beräkningar.

När forskare förfinar denna teknik kan de resulterande enheterna bli grundstenen för framtidens kvantnätverk. Dessa innovationer vidgar gränserna för vad som är möjligt inom både konsumentelektronik och storskaliga industriella tillämpningar. Omvandlingen från skrymmande uppställningar till integrerade lösningar på chip speglar en övergripande trend inom tekniken: att göra saker mindre, snabbare och mer effektiva. Vi står på randen av detta kvantsprång, och framtiden bär på enorm potential för omvälvande framsteg i hur vi kommunicerar, bearbetar information och skyddar data.