Em todo o mundo, especialistas estão trabalhando na implementação de tecnologias de informação quântica. Um caminho importante envolve a luz:olhando para o futuro, pacotes de luz únicos, também conhecidos como quanta de luz ou fótons, podem transmitir dados codificados e efetivamente à prova de toque. Para isso, são necessárias novas fontes de fótons que emitam quanta de luz únicos de maneira controlada – e sob demanda. Apenas recentemente foi descoberto que o silício pode hospedar fontes de fótons únicos com propriedades adequadas para comunicação quântica. Até agora, no entanto, ninguém soube como integrar as fontes em circuitos fotônicos modernos.
Pela primeira vez, uma equipe liderada pela Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) apresentou agora uma tecnologia de produção apropriada usando nanopilares de silício:Um método de ataque químico seguido de bombardeio de íons. Sua pesquisa é publicada no Journal of Applied Physics .

"Fontes de silício e de fóton único no campo das telecomunicações têm sido o elo perdido para acelerar o desenvolvimento da comunicação quântica por fibras ópticas. Agora criamos as pré-condições necessárias para isso", explica o Dr. Yonder Berencén, do HZDR's Institute of Ion. Beam Physics and Materials Research que liderou o estudo atual. Embora as fontes de fóton único tenham sido fabricadas em materiais como diamantes, apenas fontes baseadas em silício geram partículas de luz no comprimento de onda certo para proliferar em fibras ópticas - uma vantagem considerável para fins práticos.

Os pesquisadores alcançaram esse avanço técnico escolhendo uma técnica de gravação a úmido - conhecida como MacEtch (gravura química assistida por metal) - em vez das técnicas convencionais de gravação a seco para processar o silício em um chip. Esses métodos padrão, que permitem a criação de estruturas fotônicas de silício, usam íons altamente reativos. Esses íons induzem defeitos de emissão de luz causados ​​pelo dano de radiação no silício. No entanto, eles são distribuídos aleatoriamente e sobrepõem o sinal óptico desejado com ruído. O ataque químico assistido por metal, por outro lado, não gera esses defeitos – em vez disso, o material é gravado quimicamente sob uma espécie de máscara metálica.

O objetivo:fontes de fóton único compatíveis com a rede de fibra óptica

Usando o método MacEtch, os pesquisadores inicialmente fabricaram a forma mais simples de uma estrutura potencial de guia de ondas de luz:nanopilares de silício em um chip. Eles então bombardearam os nanopilares acabados com íons de carbono, assim como fariam com um bloco maciço de silício e, assim, geraram fontes de fótons embutidas nos pilares. Empregar a nova técnica de gravação significa que o tamanho, o espaçamento e a densidade da superfície dos nanopilares podem ser controlados e ajustados com precisão para serem compatíveis com os circuitos fotônicos modernos. Por milímetro quadrado de chip, milhares de nanopilares de silício conduzem e agrupam a luz das fontes, direcionando-a verticalmente através dos pilares.

Os pesquisadores variaram o diâmetro dos pilares porque "esperávamos que isso significasse que poderíamos realizar a criação de um único defeito em pilares finos e realmente gerar uma única fonte de fótons por pilar", explica Berencén. "Não funcionou perfeitamente da primeira vez. Em comparação, mesmo para os pilares mais finos, a dose de nosso bombardeio de carbono foi muito alta. Mas agora é apenas um pequeno passo para fontes de fótons únicos."

Esta é uma etapa na qual a equipe já está trabalhando intensamente porque a nova técnica também desencadeou uma espécie de corrida por aplicações futuras.

“Meu sonho é integrar todos os blocos de construção elementares, desde uma única fonte de fótons através de elementos fotônicos até um único detector de fótons, em um único chip e depois conectar muitos chips por meio de fibras ópticas comerciais para formar uma rede quântica modular”, diz Berencén. + Explorar mais

Fótons únicos de um chip de silício