Zespół naukowców z Katedry Fizyki Doświadczalnej i Katedry Fizyki Teoretycznej kierowanych przez prof. M. Syperka wraz z partnerami z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego i Uniwersytetu w St. Petersburgu opracowali technologię wytwarzania symetrycznych wysp atomów z metalicznej kropli, zdolnych emitować pojedyncze fotony, jak również pary fotonów. Takie generatory fotonów mogą stać się podstawą budowy emiterów wykorzystujących kwantowy efekt splątania i otworzyć drogę do konstrukcji urządzeń zapewniających ultra-bezpieczny przesył chronionej kwantowo informacji na duże odległości we współczesnych sieciach światłowodowych. Wyniki badań opublikowano w Nanophotonics (https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0482).
Wyspy atomów zwane kropkami kwantowymi to obiekty w skali nano o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Dzięki swoim właściwościom obiekty te są zdolne do emisji pojedynczych fotonów, które same są cząstkami kwantowymi podlegającymi prawom mechaniki kwantowej. U podstaw komunikacji kwantowej leży możliwość przesyłania kodowanej kwantowo informacji w pojedynczych fotonach między odległymi punktami sieci światłowodowej, jednak taki proces jest niesłychanie wymagający z uwagi na straty wynikające z transmisji światła w światłowodzie krzemionkowym. Aby wyeliminować ten problem, fotony powinny mieć długość fali, przy której ich straty przy transmisji są minimalne. Dodatkowo, w sieci muszą być użyte „wzmacniacze kwantowe”, które zwiększą prawdopodobieństwo odczytu przesyłanej informacji kwantowej w odległym punkcie sieci. Jednakże, zastosowanie „wzmacniacza kwantowego” wymaga wytworzenia nie pojedynczego fotonu, a ich skorelowanej pary, połączonej tzw. splątaniem kwantowym.
Praca międzynarodowego zespołu naukowców umożliwiła opracowanie powtarzalnej technologii wytworzenia kropki kwantowej, emitującej fotony o długościach fali przy 1550 nm, co odpowiada minimum tłumienności światłowodów krzemionkowych (tzw. pasmo C), oraz daje perspektywy generacji przez kropkę par splątanych fotonów. Ta ostatnia właściwość jest możliwa dzięki wysokiej symetrii kropek kwantowych, która w standardowych metodach wytwarzania kropek jest trudna do osiągnięcia lub wręcz niemożliwa.
Do wytworzenia kropki kwantowej naukowcy wykorzystali podłoże z materiału InP, na którym zdeponowano krople indu (In), które ze swojej natury są symetryczne – analogicznie jak krople wody na szkle. Pod wpływem wysokiej temperatury i atmosfery bogatej w arsen (As), doprowadzono do krystalizacji kropli indu do struktury krystalicznej kropki kwantowej InAs. Taka kropka „dziedziczy” wysoką symetrię po kropli metalicznej. Po przykryciu materiałem InP kropki takie okazały się być doskonałymi emiterami pojedynczych fotonów z perspektywą na emisję par splątanych fotonów dzięki wykazanej wysokiej symetrii.
Zaprezentowana technologia otwiera możliwości do wytworzenia pierwszego w Unii Europejskiej generatora splątanych fotonów bazującego na technologii kropek kwantowych dla zastosowań komercyjnych w kwantowych sieciach teleinformatycznych w ramach nowo stworzonej inicjatywy Europejskiej Kwantowej Infrastruktury Komunikacyjnej (EuroQCI).