En enkelt-fotonkilde du kan lave med husholdningsblegemiddel

Quantum computing og quantum cryptography forventes at give meget højere kapaciteter end deres klassiske modstykker. For eksempel, regnekraften i et kvantesystem kan vokse med en dobbelt eksponentiel hastighed i stedet for en klassisk lineær hastighed på grund af grundenhedens forskellige karakter, qubit (kvantebit). Indviklede partikler muliggør de ubrydelige koder til sikker kommunikation. Betydningen af ​​disse teknologier motiverede den amerikanske regering til at lovgive National Quantum Initiative Act, som tillader 1,2 milliarder dollars over de følgende fem år til udvikling af kvanteinformationsvidenskab.

Enkelte fotoner kan være en vigtig qubit -kilde til disse applikationer. For at opnå praktisk brug, de enkelte fotoner skal være i telekommunikationsbølgelængderne, som går fra 1, 260-1, 675 nanometer, og enheden skal være funktionel ved stuetemperatur. Til dato, kun en enkelt fluorescerende kvantefejl i kulstofnanorør besidder begge funktioner samtidigt. Imidlertid, den præcise skabelse af disse enkelte defekter er blevet hæmmet af fremstillingsmetoder, der kræver specielle reaktanter, er svære at kontrollere, fortsæt langsomt, generere ikke-emitterende defekter, eller er udfordrende at skalere.

Nu, forskning fra Angela Belcher, leder af MIT Institut for Biologisk Teknik, Koch Institute -medlem, og James Crafts professor i biologisk teknik, og postdoc Ching-Wei Lin, udgivet online i Naturkommunikation , beskriver en enkel løsning til at oprette carbon-nanorørbaserede single-foton emittere, som er kendt som fluorescerende kvantefejl.

"Vi kan nu hurtigt syntetisere disse fluorescerende kvantefejl inden for et minut, simpelthen ved hjælp af husholdningsblegemiddel og lys, "Siger Lin." Og vi kan nemt producere dem i stor skala. "

Belchers laboratorium har demonstreret denne forbavsende enkle metode med et minimum af genererede ikke-fluorescerende defekter. Carbon nanorør blev nedsænket i blegemiddel og derefter bestrålet med ultraviolet lys i mindre end et minut for at skabe de fluorescerende kvantefejl.

Tilgængeligheden af ​​fluorescerende kvantefejl fra denne metode har i høj grad reduceret barrieren for at oversætte grundlæggende undersøgelser til praktiske anvendelser. I mellemtiden, nanorørene bliver endnu lysere efter skabelsen af ​​disse fluorescerende defekter. Ud over, excitationen/emissionen af ​​disse defekte kulstofnanorør flyttes til det såkaldte kortbølgede infrarøde område (900-1, 600 nm), som er et usynligt optisk vindue, der har lidt længere bølgelængder end det almindelige nær-infrarøde. Hvad mere er, operationer ved længere bølgelængder med lysere defektemittere gør det muligt for forskere at gennemskue vævet tydeligere og dybere for optisk billeddannelse. Som resultat, de defekte carbonnanorør-baserede optiske sonder (normalt for at konjugere målretningsmaterialerne til disse defekte carbonnanorør) vil i høj grad forbedre billeddannelsens ydeevne, muliggør opdagelse af kræft og behandlinger såsom tidlig opdagelse og billedstyret kirurgi.

Kræft var den næstførende dødsårsag i USA i 2017. Ekstrapoleret, det kommer ud til omkring 500, 000 mennesker, der dør af kræft hvert år. Målet i Belcher Lab er at udvikle meget lyse sonder, der fungerer ved det optimale optiske vindue til at se på meget små tumorer, primært på kræft i æggestokkene og hjernen. Hvis lægerne kan opdage sygdommen tidligere, overlevelsesraten kan øges betydeligt, ifølge statistik. Og nu kan den nye lyse fluorescerende kvantefejl være det rigtige værktøj til at opgradere de nuværende billeddannelsessystemer, ser på endnu mindre tumorer gennem defektemissionen.

"Vi har demonstreret en klar visualisering af karstruktur og lymfesystemer ved hjælp af 150 gange mindre mængde prober sammenlignet med tidligere generation af billeddannelsessystemer, "Belcher siger, "Dette indikerer, at vi har rykket et skridt fremad tættere på tidlig opdagelse af kræft."

I samarbejde med bidragydere fra Rice University, forskere kan for første gang identificere fordelingen af ​​kvantefejl i kulstofnanorør ved hjælp af en ny spektroskopimetode kaldet variansspektroskopi. Denne metode hjalp forskerne med at overvåge kvaliteten af ​​de kvantedefekt indeholdte kulstof-nanorør og finde de korrekte syntetiske parametre lettere.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.