量子点可以像光子一样发出克隆体。

量子点可以像光子一样发出克隆体。

在基于量子物理原理开发实用计算和通信设备的全球探索中,一个潜在的有用组件被证明是难以捉摸的:一个具有完全恒定、可预测和稳定特性的单个光粒子源。现在,麻省理工学院和瑞士的研究人员说,他们已经朝着这样一个单光子源迈出了重要的一步。

图像说明:扫描单个钙钛矿量子点的透射电镜图像(STEM)。新的研究表明,单个钙钛矿量子点可能是计算或通信量子光子技术的基本组成部分。

这项研究涉及到使用一系列被称为钙钛矿的材料来制造被称为量子点的发光粒子,这项研究今天发表在《科学》杂志上。本文作者是麻省理工学院化学研究生亨德里克·乌扎特,化学教授穆恩吉·巴文迪,以及其他九位麻省理工学院和瑞士苏黎世ETH的学生。

产生具有精确已知和持久特性的单个光子的能力,包括波长或颜色,完全不会波动,这对于许多类型的量子器件都是有用的。因为每一个光子在其量子力学性质上与其他光子是不可区分的,例如,它可以延迟其中一个光子,然后让这对光子相互作用,这种现象称为干涉。

“不同不可区分的单光子之间的量子干涉是许多使用单光子作为信息载体的光学量子信息技术的基础,”Utzat解释道。但只有光子是相干的,这就意味着它们能在足够长的时间内保持量子状态。

许多研究人员试图制造出能发出这种相干单光子的光源,但都有局限性。这些发射器周围材料的随机波动往往会以不可预测的方式改变光子的特性,破坏它们的相干。乌特扎特说,找到保持一致性、亮度和稳定性的发射极材料是“根本上的挑战”。他说,这是因为不仅周围环境,甚至材料本身“本质上提供了一个波动的浴槽,它随机地与电子激发的量子态相互作用,并洗掉了相干性”。

“没有相干单光子的来源,你就不能使用任何这些量子效应,这是光量子信息操控的基础,”Lester Wolfe化学教授Bawendi说。他说,另一个可以通过拥有相干光子来利用的重要量子效应是纠缠,在纠缠中,两个光子基本上表现为一个光子,共享它们的所有属性。

以前化学制备的胶体量子点材料的相干时间实际上很短,但是这个研究小组发现,用晶体结构定义的一系列材料perovskite制备的量子点产生的相干水平比以前的版本高出一千倍以上。这些胶体钙钛矿量子点的相干特性现在正接近已建立的发射器的水平,如金刚石中的原子缺陷或物理学家使用气相束外延生长的量子点。

他们发现,钙钛矿的一大优点是,在受到激光束的刺激后,它们能很快地发射光子。这种高速可能是潜在量子计算应用的一个关键特征。它们与周围环境的相互作用也很小,大大提高了它们的相干特性和稳定性。

巴文迪说,这种相干光子也可以用于量子加密通信应用。一种特殊的纠缠,称为极化纠缠,可以作为拒绝拦截的安全量子通信的基础。

既然团队已经发现了这些有前途的特性,下一步就是优化和改进它们的性能,以使它们具有可扩展性和实用性。首先,它们需要在产生的光子中实现100%的不可分辨性。到目前为止,它们已经达到了20%,“这已经非常显著了,”Utzat说,已经可以与其他材料(如金刚石中的原子荧光缺陷)所达到的一致性相媲美,这些材料已经建立了系统,并且已经工作了更长时间。

他说:“钙钛矿量子点在应用于实际应用之前还有很长的路要走,但这是一种新的材料系统,可用于量子光子学,现在可以进行优化,并可能与器件集成。”

研究人员说,这是一种新现象,需要大量的工作才能发展到实际水平。巴文迪指出:“我们的研究非常基础。”“然而,这是朝着开发一个有前途的新材料平台迈出的一大步。”

这项工作得到了美国能源部、国家科学基金会和瑞士联邦技术与创新委员会的支持。

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