En comunicación óptica, La información crítica que va desde un número de tarjeta de crédito hasta datos de seguridad nacional se transmite en secuencias de pulsos láser. Sin embargo, la información transmitida de esta manera puede ser robada dividiendo algunos fotones (el cuanto de luz) del pulso láser. Este tipo de escuchas clandestinas podría evitarse codificando bits de información sobre los estados de la mecánica cuántica (por ejemplo, el estado de polarización) de fotones individuales. La capacidad de generar fotones individuales bajo demanda es la clave para la realización de dicho esquema de comunicación.

Al demostrar que la incorporación de nanotubos de carbono de pared simple prístinos en una matriz de dióxido de silicio (SiO2) podría conducir a la creación de un estado de dopante de oxígeno solitario capaz de libre de fluctuaciones, emisión de fotones individuales a temperatura ambiente, Los investigadores de Los Alamos revelaron un nuevo camino hacia la generación de fotones individuales bajo demanda. Nanotecnología de la naturaleza publicó sus hallazgos.

Los fotones emitidos por los láseres se distribuyen aleatoriamente en el tiempo. Por lo tanto, Es posible la emisión "simultánea" de dos o más fotones. La verdadera generación de un solo fotón requiere un sistema mecánico cuántico aislado de dos niveles que pueda emitir solo un fotón en un ciclo de excitación-emisión. Los requisitos tecnológicos de los materiales para la comunicación cuántica incluyen la capacidad de generar fotones individuales en el 1, 300 - 1, Rango de longitud de onda de telecomunicaciones de 500 nanómetros (nm) a temperatura ambiente y compatibilidad con tecnología de microfabricación de silicio para permitir la estimulación eléctrica y la integración de otros componentes de red electrónicos y fotónicos. Estudios anteriores revelaron que los nanotubos de carbono presentan desafíos técnicos para su uso en comunicaciones cuánticas:1) los materiales eran capaces de emitir un solo fotón solo a temperatura criogénica, y 2) su emisión ineficiente tuvo fuertes fluctuaciones y degradación.

La nueva investigación del laboratorio ha demostrado que la incorporación de nanotubos de carbono prístinos en una matriz de dióxido de silicio (SiO2) podría conducir a la incorporación de estados solitarios de dopantes de oxígeno capaces de fluctuar sin fluctuaciones, Emisión de fotón único a temperatura ambiente en el rango de longitud de onda de 1100-1300 nm.

Los nanotubos dopados con oxígeno pueden encapsularse en una capa de SiO2 depositada sobre una oblea de silicio. Esto presenta una oportunidad para aplicar tecnologías de fabricación microelectrónica bien establecidas para el desarrollo de fuentes de fotón único impulsadas eléctricamente y la integración de estas fuentes en redes y dispositivos fotónicos cuánticos. Más allá de la implementación de tecnologías de comunicación cuántica, Las fuentes de fotón único basadas en nanotubos podrían permitir tecnologías cuánticas transformadoras, incluidas mediciones de absorción ultrasensibles. imágenes de sub-difracción, y computación cuántica lineal. El material tiene potencial fotónico, plasmónico optoelectrónico y aplicaciones de la ciencia de la información cuántica.

Mediante el uso de un detector de fotones de última generación, el equipo midió la distribución temporal de dos eventos sucesivos de emisión de fotones y demostró la emisión de un solo fotón. Además, el equipo investigó los efectos de la temperatura en las eficiencias de emisión de fotoluminiscencia, fluctuaciones, y dinámica de desintegración de los estados dopantes en el nanotubo de carbono de pared simple. Los investigadores determinaron las condiciones más adecuadas para la observación de la emisión de un solo fotón. En principio, la emisión podría ajustarse a 1500 nm mediante el dopado de nanotubos de carbono de pared simple con banda prohibida más pequeños. Esta es una clara ventaja en comparación con algunos otros materiales, en el que la emisión de un solo fotón es posible para solo unas pocas longitudes de onda discretas inferiores a 1 µm.