Korzystając z nowatorskich materiałów, które były szeroko badane jako potencjalne nowe fotowoltaiki słoneczne, naukowcy z MIT wykazali, że nanocząsteczki tych materiałów mogą emitować strumień pojedynczych, identycznych fotonów.

Chociaż praca jest obecnie fundamentalnym odkryciem możliwości tych materiałów, może ostatecznie utorować drogę do nowych komputerów kwantowych opartych na optyce, a także możliwych kwantowych urządzeń teleportacyjnych do komunikacji, twierdzą naukowcy. Wyniki zostały opublikowane 22 czerwca w czasopiśmie Fotonika przyrodyw artykule doktoranta Alexandra Kaplana, profesora chemii Moungi Bawendi i sześciu innych osób z MIT.

Większość koncepcji obliczeń kwantowych wykorzystuje ultrazimne atomy lub spiny poszczególnych elektronów do działania jako bity kwantowe lub kubity, które stanowią podstawę takich urządzeń. Ale około dwie dekady temu niektórzy badacze zaproponowali pomysł wykorzystania światła zamiast obiektów fizycznych jako podstawowych jednostek kubitów. Między innymi wyeliminowałoby to potrzebę stosowania złożonego i kosztownego sprzętu do kontrolowania kubitów oraz wprowadzania i wydobywania z nich danych. Zamiast tego wystarczyłyby zwykłe lustra i detektory optyczne.

„Dzięki tym kubitopodobnym fotonom” – wyjaśnia Kaplan – „z optyką liniową„ domową ”można zbudować komputer kwantowy, pod warunkiem, że odpowiednio przygotowane fotony”.

Kluczowe jest przygotowanie tych fotonów. Każdy foton musi dokładnie odpowiadać kwantowej charakterystyce poprzedniego i tak dalej. Po osiągnięciu tego idealnego dopasowania „naprawdę duża zmiana paradygmatu zmienia się z potrzeby bardzo fantazyjnej optyki, bardzo fantazyjnego sprzętu na prosty sprzęt. Rzeczą, która musi być wyjątkowa, jest samo światło”.

Następnie, wyjaśnia Bawendi, pobierają te pojedyncze fotony, które są identyczne i nie do odróżnienia od siebie, i oddziałują między nimi. Ta nierozróżnialność jest kluczowa: jeśli masz dwa fotony i „wszystko jest w nich takie samo, i nie możesz powiedzieć numer jeden i numer dwa, nie możesz ich śledzić w ten sposób. To pozwala im na interakcję w pewne sposoby, które są nieklasyczne”.

Kaplan mówi, że „jeśli chcemy, aby foton miał tę bardzo specyficzną właściwość, by był bardzo dobrze zdefiniowany pod względem energii, polaryzacji, trybu przestrzennego, czasu, wszystkich rzeczy, które możemy zakodować mechanicznie kwantowo, potrzebujemy, aby źródło było bardzo dobrze zdefiniowane również pod względem mechaniki kwantowej”.

Źródłem, z którego ostatecznie skorzystali, jest forma nanocząstek perowskitu ołowiowo-halogenowego. Cienkie warstwy perowskitów halogenkowo-ołowiowych są szeroko poszukiwane jako potencjalne fotowoltaiki nowej generacji, między innymi dlatego, że mogą być znacznie lżejsze i łatwiejsze w obróbce niż dzisiejsze standardowe ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu. W postaci nanocząstek perowskity halogenkowo-ołowiowe wyróżniają się oślepiająco szybkim promieniowaniem kriogenicznym, co odróżnia je od innych koloidalnych nanocząstek półprzewodnikowych. Im szybciej światło jest emitowane, tym bardziej prawdopodobne jest, że wyjście będzie miało dobrze zdefiniowaną funkcję falową. W ten sposób szybkie prędkości promieniowania w unikalny sposób pozycjonują nanocząsteczki perowskitu z halogenkiem ołowiu, aby emitować światło kwantowe.

Aby sprawdzić, czy fotony, które generują, naprawdę mają tę nierozróżnialną właściwość, standardowym testem jest wykrycie określonego rodzaju interferencji między dwoma fotonami, znanej jako interferencja Hong-Ou-Mandela. Zjawisko to ma kluczowe znaczenie dla wielu technologii kwantowych, mówi Kaplan, dlatego wykazanie jego obecności „było znakiem rozpoznawczym potwierdzającym, że źródło fotonów może być wykorzystywane do tych celów”.

Mówi, że bardzo niewiele materiałów może emitować światło, które spełnia ten test. „W zasadzie można je wymienić na palcach jednej ręki”. Podczas gdy ich nowe źródło nie jest jeszcze doskonałe, wytwarzając zakłócenia HOM tylko w połowie przypadków, inne źródła mają poważne problemy z osiągnięciem skalowalności. „Powodem, dla którego inne źródła są spójne, jest to, że są wykonane z najczystszych materiałów i są tworzone indywidualnie, jeden po drugim, atom po atomie. Tak więc istnieje bardzo słaba skalowalność i bardzo słaba odtwarzalność” – mówi Kaplan.

Natomiast nanocząstki perowskitu są wytwarzane w roztworze i po prostu osadzane na materiale podłoża. „Zasadniczo obracamy je na powierzchni, w tym przypadku zwykłej szklanej powierzchni” – mówi Kaplan. „I widzimy, jak poddają się temu zachowaniu, które wcześniej było obserwowane tylko w najbardziej rygorystycznych warunkach przygotowania”.

Tak więc, nawet jeśli te materiały mogą nie być jeszcze doskonałe, „Są bardzo skalowalne, możemy zrobić ich wiele. Obecnie są bardzo niezoptymalizowane. Możemy zintegrować je z urządzeniami i dalej je ulepszać” mówi Kapłan.

Mówi, że na tym etapie ta praca jest „bardzo interesującym fundamentalnym odkryciem”, pokazującym możliwości tych materiałów. „Ważność tej pracy polega na tym, że miejmy nadzieję, że zachęci ona ludzi do zastanowienia się, jak jeszcze bardziej ulepszyć je w różnych architekturach urządzeń”.

I dodaje Bawendi, integrując te emitery z systemami odblaskowymi zwanymi wnękami optycznymi, jak to już zrobiono z innymi źródłami, „mamy pełne przekonanie, że zintegrowanie ich z wnęką optyczną podniesie ich właściwości do poziomu konkurencji. ”

Ta historia została ponownie opublikowana dzięki uprzejmości MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), popularnej witryny zawierającej wiadomości o badaniach, innowacjach i nauczaniu MIT.