Kvantepunkter kan spytte klonlignende fotoner ud

I den globale søgen efter at udvikle praktiske computer- og kommunikationsenheder baseret på principperne for kvantefysik, en potentielt nyttig komponent har vist sig undvigende:en kilde til individuelle lyspartikler med helt konstant, forudsigelig, og faste egenskaber. Nu, forskere ved MIT og i Schweiz siger, at de har taget store skridt i retning af sådan en enkelt fotonkilde.

Studiet, som indebærer at bruge en familie af materialer kendt som perovskitter til at lave lysemitterende partikler kaldet kvantepunkter, fremgår i dag i journalen Videnskab . Papiret er af MIT -kandidatstuderende i kemi Hendrik Utzat, professor i kemi Moungi Bawendi, og ni andre på MIT og på ETH i Zürich, Schweiz.

Evnen til at producere individuelle fotoner med præcist kendte og vedvarende egenskaber, herunder en bølgelængde, eller farve, det svinger slet ikke, kunne være nyttig til mange slags foreslåede kvanteenheder. Fordi hver foton ville være umulig at skelne fra de andre med hensyn til sine kvantemekaniske egenskaber, det kunne være muligt, for eksempel, at forsinke en af ​​dem og derefter få parret til at interagere med hinanden, i et fænomen kaldet interferens.

"Denne kvanteinterferens mellem forskellige ikke -adskilte enkeltfotoner er grundlaget for mange optiske kvanteinformationsteknologier, der bruger enkeltfotoner som informationsbærere, "Utzat forklarer." Men det virker kun, hvis fotonerne er sammenhængende, hvilket betyder, at de bevarer deres kvantetilstande i tilstrækkelig lang tid. "

Mange forskere har forsøgt at producere kilder, der kunne udsende sådanne sammenhængende enkeltfotoner, men alle har haft begrænsninger. Tilfældige udsving i materialerne omkring disse emittere har en tendens til at ændre fotonernes egenskaber på uforudsigelige måder, ødelægger deres sammenhæng. At finde emittermaterialer, der bevarer sammenhæng og også er lyse og stabile, er "grundlæggende udfordrende, "Utzat siger. Det er fordi ikke kun omgivelserne, men også materialerne selv" i det væsentlige giver et svingende bad, der tilfældigt interagerer med den elektronisk ophidsede kvantetilstand og skyller ud af sammenhængen, " han siger.

"Uden at have en kilde til sammenhængende enkeltfotoner, du kan ikke bruge nogen af ​​disse kvanteeffekter, der er grundlaget for optisk kvanteinformationsmanipulation, "siger Bawendi, hvem er Lester Wolfe professor i kemi. En anden vigtig kvanteeffekt, der kan udnyttes ved at have sammenhængende fotoner, han siger, er sammenfiltring, hvor to fotoner i det væsentlige opfører sig som om de var en, deler alle deres ejendomme.

Tidligere kemisk fremstillede kolloide kvanteprikmaterialer havde upraktisk korte sammenhængstider, men dette team fandt ud af, at fremstilling af kvanteprikker fra perovskitter, en familie af materialer defineret af deres krystalstruktur, produceret sammenhængsniveauer, der var mere end tusinde gange bedre end tidligere versioner. Sammenhængsegenskaberne for disse kolloide perovskit -kvantepunkter nærmer sig nu niveauerne af etablerede emittere, såsom atomlignende defekter i diamant- eller kvanteprikker dyrket af fysikere ved hjælp af gasfase-stråleepitakse.

En af de store fordele ved perovskitter, de fandt, var, at de udsender fotoner meget hurtigt efter at være blevet stimuleret af en laserstråle. Denne høje hastighed kan være en afgørende egenskab for potentielle kvanteberegningsapplikationer. De har også meget lidt interaktion med deres omgivelser, i høj grad forbedrer deres kohærensegenskaber og stabilitet.

Sådanne sammenhængende fotoner kan også bruges til kvantekrypterede kommunikationsapplikationer, Siger Bawendi. En særlig form for sammenfiltring, kaldet polarisationsindvikling, kan være grundlaget for sikker kvantekommunikation, der trodser forsøg på aflytning.

Nu hvor teamet har fundet disse lovende ejendomme, det næste trin er at arbejde på at optimere og forbedre deres ydeevne for at gøre dem skalerbare og praktiske. For én ting, de skal opnå 100 procent skelnen mellem de producerede fotoner. Indtil nu, de har nået 20 procent, "hvilket allerede er meget bemærkelsesværdigt, "Utzat siger, allerede sammenlignelig med de kohærenser, som andre materialer når såsom atomlignende fluorescerende defekter i diamant, der allerede er etablerede systemer og der er arbejdet meget længere med.

"Perovskite kvantepunkter har stadig en lang vej at gå, før de bliver anvendelige i rigtige applikationer, " han siger, "men dette er et nyt materialesystem til rådighed for kvantefotonik, der nu kan optimeres og potentielt integreres med enheder."

Det er et nyt fænomen og vil kræve meget arbejde at udvikle til et praktisk niveau, siger forskerne. "Vores undersøgelse er meget grundlæggende, "Bawendi noter." Dog, det er et stort skridt mod at udvikle en ny materialeplatform, der er lovende. "