University of Waterloo researchers combine Nobel prize winning concepts to achieve scientific breakthrough
Researchers at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing (IQC) have brought together two Nobel prize winning research concepts to advance the field of quantum communication.
Scientists can now efficiently produce nearly perfect entangled photon pairs from quantum dot sources.
Entangled photons are particles of light that remain connected, even across large distances, and experiments on this topic were recognized by the 2022 Nobel Prize in Physics. Combining entanglement with quantum dots, a technology recognized with the Nobel Prize in Chemistry in 2023, the IQC research team aimed to optimize the process for creating entangled photons, which have a wide variety of applications, including secure communications.
“The combination of a high degree of entanglement and high efficiency is needed for exciting applications such as quantum key distribution or quantum repeaters, which are envisioned to extend the distance of secure quantum communication to a global scale, or link remote quantum computers,” said Dr. Michael Reimer, professor at IQC and Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering. “Previous experiments only measured either near-perfect entanglement or high efficiency, but we’re the first to achieve both requirements with a quantum dot.”
By embedding semiconductor quantum dots into a nanowire, the researchers created a source that creates near-perfect entangled photons 65 times more efficiently than previous work. This new source, developed in collaboration with the National Research Council of Canada in Ottawa, can be excited with lasers to generate entangled pairs on command. The researchers then used high resolution single photon detectors provided by Single Quantum in The Netherlands to boost the degree of entanglement.
“Historically, quantum dot systems were plagued with a problem called fine structure splitting, which causes an entangled state to oscillate over time. This meant that measurements taken with a slow detection system would prevent the entanglement from being measured,” said Matteo Pennacchietti, a PhD student at IQC and Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering. “We overcame this by combining our quantum dots with a very fast and precise detection system. We can basically take a time stamp of what the entangled state looks like at each point during the oscillations, and that's where we have the perfect entanglement.”
To showcase future communications applications, Reimer and Pennacchietti worked with Dr. Norbert Lütkenhaus and Dr. Thomas Jennewein, both IQC faculty members and professors in Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and their teams. Using their new quantum dot entanglement source, the researchers simulated a secure communications method known as quantum key distribution, proving that the quantum dot source holds significant promise in the future of secure quantum communications.
This research, Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution, was recently published in Communications Physics by Pennacchietti, Reimer, Jennewein, Lütkenhaus, Brady Cunard, Shlok Nahar, and Sayan Gangopadhyay from IQC, alongside their collaborators Dr. Mohd Zeeshan, Dr. Philip Poole, Dr. Dan Dalacu, Dr. Andreas Fognini, Dr. Klaus Jöns, and Dr. Val Zwiller.
This article was initially published on Waterloo News.
The entangled photon source, an indium-based quantum dot embedded in a semiconductor nanowire (left), and a visualization of how the entangled photons are efficiently extracted from the nanowire.
Un nouveau pas de franchi vers la communication quantique sécurisée à l’échelle planétaire
Les chercheurs de l’Université de Waterloo réalisent des percées par la combinaison de concepts récompensés d’un prix Nobel
Les chercheurs à l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo ont jumelé deux notions de recherche récompensées par des prix Nobel pour avancer le champ de la communication quantique.
Les scientifiques pourront désormais produire de manière efficace une paire presque parfaite de photons intriqués en utilisant un point quantique comme source.
Les photons intriqués sont des particules de lumière qui restent connectées malgré leur vaste distance; des expériences à leur sujet ont reçu le prix Nobel de physique en 2022. L’équipe de l’IQC a combiné cette intrication avec la technologie récompensée du prix Nobel de chimie 2023, appelée « boîte » ou « point » quantique, dans le but d’optimiser le processus de génération de photons intriqués pour toutes sortes d’applications, parmi elles la communication sécurisée.
« La combinaison d’une intrication élevée et d’un haut degré d’efficacité est nécessaire pour certaines applications particulièrement intéressantes, comme la distribution quantique de clés ou les répéteurs quantiques, qui devraient pouvoir rallonger à l’échelle planétaire la distance de communication quantique sécurisée, ou encore lier des ordinateurs quantiques à distance », explique Michael Reimer, Ph. D., professeur à l’IQC et au Département de génie électrique et informatique de Waterloo. « Les expériences menées à ce jour rapportaient soit des intrications presque parfaites, soit un haut degré d’efficacité, mais jamais les deux : nous sommes les premiers à le faire, grâce au point quantique. »
Ayant placé des points quantiques semiconducteurs dans un nanofil, les chercheurs ont pu créer une source qui produit des photons presque parfaitement intriqués avec un degré d’efficacité 65 fois supérieur à ce qui s’est fait précédemment. Cette nouvelle source, découverte en collaboration avec le Conseil national de recherches du Canada à Ottawa, peut être amenée dans un état excité à l’aide de lasers afin de générer une paire intriquée sur demande. Les chercheurs ont ensuite employé des détecteurs haute résolution à photon unique que lui a fourni l’équipe de Single Quantum, aux Pays-Bas, afin de maximiser l’intrication.
« Jusqu’ici, les systèmes à points quantiques souffraient de leur séparation en structure fine, qui faisait osciller leur état intriqué au fil du temps. Ainsi, si le système de détection était trop lent, on ne pouvait simplement pas prendre la mesure de l’intrication », relate Matteo Pennacchietti, doctorant à l’IQC et au Département de génie électrique et informatique de Waterloo. « Nous avons pu surmonter ce problème en combinant nos points quantiques à un système de détection aussi rapide que précis, grâce auquel nous pouvons essentiellement prendre un cliché de l’état intriqué à tous les points de l’oscillation et ainsi retrouver l’intrication parfaite. »
Pour démontrer les usages qui pourront être faits en communication, Michael Reimer et Matteo Pennacchietti se sont adjoint des collaborateurs, soit Norbert Lütkenhaus, Ph. D., et Thomas Jennewein, Ph. D., tous deux membres du corps professoral de l’IQC et professeurs au Département de physique et d’astronomie de Waterloo, ainsi que leurs équipes. À l’aide de leur nouvelle source d’intrication, les chercheurs ont pu simuler la distribution quantique de clés (une méthode de communication sécurisée) et ainsi prouver la valeur du point quantique comme source pour la communication quantique sécurisée.
Leur étude, « Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution », vient d’être publiée dans la revue Communications Physics par les membres de l’IQC Matteo Pennacchietti, Michael Reimer, Thomas Jennewein, Norbert Lütkenhaus, Brady Cunard, Shlok Nahar et Sayan Gangopadhyay, avec l’aide de leurs collaborateurs Mohd Zeeshan, Philip Poole, Dan Dalacu, Andreas Fognini, Klaus Jöns et Val Zwiller.
Un point quantique d’indium placé dans un nanofil semiconducteur, la source des photons intriqués (à gauche), et une image de l’extraction habile des photons du nanofil (à droite).