極小ナノキャビティが完璧な量子暗号化を実現する!

研究者は、背丈がたったの200ナノメーター、直径100ナノメーターしかない新しいタイプの光増強光キャビティを開発しました。彼等の新しいナノスケールシステムは、量子暗号化と真に安全で将来に渡り使えるネットワークを推進する手助けをしてくれる可能性があるより高輝度な単一光子源への一歩を意味しています。未来の中心的なデータ暗号化法になりそうな量子暗号化技術は、データを符号化するのに非常に安全な方法として1個1個のの光子を使っています。この技術の制限は、高率で光子を放出する能力にあります。単一光子源の重要なメリットの象徴の1つが輝度(明るさ)、もしくは、一秒間に集めた光子で、何故なら、それが明るければ明るいほど、より多くのデーターを量子暗号化を使って安全に転送できるからです。米国光学会の機関紙 Optical Materials Express 誌の中で、研究者達は、彼等の新しいナノキャビティが、大幅に、単一光子を放出できるナノメーター規模の半導体粒子の量子ドットの発光輝度を高めていることを証明しています。

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極小ナノキャビティ

Ultra-small nanocavity advances technology for secure quantum-based data encryption

研究者は、新しいナノキャビティを高度に反射する銀を、基板に乗っているナノ規模半導体ピラーにメッキすることで作り出しています。銀は光をナノピラー内部で跳ね返らせ、それを極小光キャビティに変えています。研究者達は、同じデザインコンセプト(設計概念)が、別の単一光子発生器用に調整されている他の材料からナノキャビティを構築するのに利用できるかもしれないと言っています。

小空間に光を閉じ込める

ナノメーター規模では、光は独特な方法で物質と相互に作用しています。1つの例が、微小なキャビティ空間内に閉じ込められた、量子ドットや他の発光体の放出効果を増強するPurcell effect(パーセル効果)です。システムが、Purcell enhancement (パーセル増強)が、一定時間にわたりより多くの光子を放出させることを示していて、今可能なものよりも高速に動作する量子暗号化システムを可能にしてくれるかもしれません。

一秒間にどれくらいの光子をどれくらいの高輝度で放出できるかに、量子暗号化システムの性能は依存しているみたいで、今回の極小キャビティはかなりすごいっぽいです。

パーセル増強を達成することは、発光体とキャビティの間をエネルギーがより速く伝わることから、極小キャビティの恩恵を受けています。十分に高品質要素を持つことは、同様な価値があり、キャビティの反射が、光が長い時間に渡り跳ね返ることを可能にしていることを意味しています。

キャビティ内で光が乱反射することで光が増強されるみたいな感じです。

今回の研究で、研究者は、現在最先端の固体系よりも複数桁小さい容積を持った新しいタイプのキャビティを実証しています。そのシステムは強力なパーセル増強を産み出すと同時に高い光収集高率も達成していて、単一光子源の輝度の増加をもたらしています。

研究者が、このナノキャビティをテストした時、ナノキャビティ内の量子ドットが一秒間につき、そういったキャビティ内に置かれていない量子ドットよりも、かなり多くの光子を放出していることを発見しています。しかも高輝度のおまけつきです。

ナノキャビティの上部が開いているので、放出された光は、空気中に直接移動できます。過去に似たようなキャビティが作られた時は、放出された光子を収集するのには適さないメタルコーティング(金属皮膜)された上部でした。新しいナノキャビティの発光プロファイルは、標準的な顕微鏡対物レンズともよくマッチしているので、レンズに高いパーセンテージの光が進入するのを可能にしています。発光プロファイルと顕微鏡対物レンズ間のミスマッチは、過去に開発されたナノ共振器システムの厄介な光損失の原因でした。

極小キャビティを作る

チームは、メタルにナノピラーを被膜するための課題を乗り越えるための改良版加工技術を使いました。背の高い痩せたナノ構造は、ナノ加工技術が雪と良く似て、金属がデバイス上に真っ直ぐに落下する工程を使っているので、陰影効果と呼ばれる物を経験する傾向にあります。雪が木の上に降ると、その上に振り続け、絵だよりも大きなマウンドを形成する格好で、枝の上に降り積もります。同じことが、金属がピラーのような物の上に堆積された時に起こります。金属がそれ自身にくっつき、それの下のピラーよりも大きなマウンドを形成し、金属が、ピラーを覆い隠しているその部分の下に降るのを妨げています。その結果、この陰影効果が、デバイスの中にエアギャップ(空隙)を作り出します。

この問題を解決するために、研究者は、一挙にそのピラーの全サイドを被膜するのに、サンプルを同時に回転させて傾けています。この新しい手法を用いても、彼等は、ピラーの側面の金属皮膜と上部の金属との間で接続が形成されるのを回避するために、メタルを堆積させる角度に注意する必要がありました。もし、接続が形成されれば、超音波で上部のメタルキャップを取り除く最終ステップが、困難か不可能になってしまいます。

メタルで作業している他のグループは、この陰影効果が金属中に完全にカプセル化されている機構においてでさえ起こるので、この技術に興味があるはずです。

もっと良いナノキャビティ

研究者は、現在、もっと良い特徴を持った別の種類のナノキャビティを作る取り組みに従事しています。例えば、彼等は、ダイヤモンでナノキャビティを作りたく、それは、室温で動作する単一光子源を可能にし、家庭用機器に量子暗号化を組み込むための重要条件でもあります。彼等は、また、この新しい研究から得た知識と、シリコンチップ上に集積される光素子を自動的に設計するために彼等が最近開発した逆設計アルゴリズムとを組み合わせたがっています。そのアルゴリズムを使って、エンジニア達は、目的とする機能を指定し、そのソフトウェアが、その機能を実行する仕組みを作るための指示を与えます。

オンデマンド・オンチップな自動構造化アルゴみたいです。これと極小ナノ共振器を組み合わせれば、例えば、超高輝度単一光子を室温で、量子コンピュータ用に発生させることができ、量子計算機にフルカスタマイズされたタイミングで、必要な量の光子を必要な場所に提供することができるようになり、万能量子計算機実現に大きな前進になります。

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