Deterministiska och starkt omöjligt åtskiljbara enstaka fotoner i telekom C‑bandet

Ljus för framtidens internet

Dagens internet skickar information med laserljus i glasfiber, men morgondagens kvantinternet kommer att behöva strömmar av enstaka ljuspartiklar—fotoner—som beter sig på ett perfekt kontrollerat sätt. Denna studie visar hur man bygger en liten ljuskälla på ett chip som pålitligt kan sända ut en högkvalitativ foton åt gången vid samma våglängder som redan används i långdistans fiber­nätverk, vilket förflyttar praktisk kvantkommunikation ett steg närmare verkligheten.

Varför enstaka fotoner måste likna varandra

För många kvantteknologier, från extremt säker kommunikation till kraftfulla nya typer av beräkning, räcker det inte att ha enstaka fotoner på begäran; dessa fotoner måste också vara nära identiska. Om två fotoner verkligen är omöjliga att skilja åt—samma färg, timing och vågform—kan de interferera med varandra på ett sätt som saknar motsvarighet i vardagslivet. Denna »tvåfotoninterferens« är en grundläggande byggsten för kvantlogiska operationer med ljus. Utmaningen har varit att skapa en källa som producerar sådana nästan identiska fotoner i den standardiserade telekom C‑bandet runt 1550 nanometer, där befintliga fiberoptiska nät har lägst förluster.

En mikroskopisk konstgjord atom på ett chip

Författarna använder en halvledarkvantprick, en konstgjord struktur så liten att den beter sig som en konstgjord atom. Deras enhet är byggd av indiumarsenid inbäddat i ett noggrant utformat omgivande material och placerad i en cirkulär Bragg‑gallringsresonator, som fungerar som en mikroskopisk spegelkavitet som styr det utsända ljuset uppåt. Chippet sitter i en kryostat vid fyra grader över absolut noll och exciteras med mycket korta laserpulser. Forskarna skickar sedan de resulterande fotonerna genom filter och fiberoptiska komponenter för att analysera deras färg, timing och hur ofta mer än en foton sänds ut samtidigt.

Justering av hur pricken exciteras

För att hitta bästa driftförhållanden jämför teamet systematiskt fyra olika sätt att driva kvantpricken med en laser. En metod använder en hög‑energi‑laser som exciterar många tillstånd samtidigt, medan andra använder mer selektiva våglängder, inklusive en teknik där lasern är ställd något avvikande från huvudtransitionen och kvantpricken absorberar eller avger vibrationer i kristallen—fononer—för att nå rätt tillstånd. För varje schema mäter de hur »enskild« källan är, genom att titta på sannolikheten att få mer än en foton per puls, och hur omöjliga att skilja åt efterföljande fotoner är, genom att skicka par genom en stråldelare och registrera hur starkt de interfererar.

Uppnår rekord i fotonlikhet

Det mest anmärkningsvärda resultatet kommer från den fonon‑assisterade exciteringsmetoden. I detta regime skickar enheten nästan inga extra fotoner—bidraget från multiphotoner är bara ett par procent—och, avgörande, interfererar efterföljande fotoner med en rå synlighet över 91 procent. Detta tal är en direkt indikator på hur lika fotonerna är, och det överträffar tidigare rekord för fasta‑tillstånds‑sändare vid telekomvåglängder. Författarna visar att andra exciteringsmetoder fortfarande ger bra enstaka‑fotonbeteende men inte når upp i indistinguishability, sannolikt eftersom de förbereder kvantprickens tillstånd långsammare och mindre rent.

Vad detta betyder för kvantnätverk

Enkelt uttryckt har forskarna byggt en mikroskopisk ljuskälla som kan spotta ut nästan identiska enstaka fotoner på begäran vid samma färg som används i dagens långdistans‑fibernät. Genom att matcha eller överträffa fotonkvaliteten hos mer komplexa probabilistiska källor samtidigt som de förblir deterministiska—sänder ut en foton när den begärs—hjälper deras tillvägagångssätt att stänga en viktig prestandagap. Detta för flyttbarheten för praktiska kvantkommunikationssystem och framtida ljusbaserade kvantdatorer närmare verkligheten, med hårdvara som kan integreras i befintlig telekominfrastruktur.

Citering: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

Nyckelord: enkeltfotonkällor, kvanttprickar, telekom C‑band, kvantkommunikation, foton‑indistinguishability