研究人员已经制作出连贯的单光子发射器

在开发基于量子物理原理的实用计算和通信设备的全球探索中,一个潜在有用的组件已被证明是难以捉摸的: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表示,他们已朝着这样一个光子源迈出了重要的一步。

这项研究涉及使用称为钙钛矿的一系列材料制造称为量子点的发光粒子,今天刊登在“科学”杂志上。该论文由麻省理工学院化学系的Hendrik Utzat,化学教授Moungi Bawendi以及其他9位麻省理工学院和瑞士苏黎世的ETH研究生完成。

产生具有精确已知和持久性质的单个光子的能力,包括波长或颜色,根本不会波动,对于许多种提出的量子器件可能是有用的。因为每个光子在其量子力学性质方面与其他光子无法区分,所以例如可以延迟其中一个光子然后使这对光子相互作用,这种现象称为干涉。

“不同难以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量子信息技术的基础,”Utzat解释说。“但它只有在光子连贯的情况下才有效,这意味着它们能够在足够长的时间内保持其量子态。”

许多研究人员试图产生可以发射这种相干单光子的光源,但都有局限性。这些发射体周围材料的随机波动往往以不可预测的方式改变光子的性质,破坏它们的连贯性。Utzat说,寻找保持一致性并且明亮稳定的发光材料“从根本上来说具有挑战性”。这是因为不仅环境,甚至材料本身“基本上提供了一个波动的浴,随机地与电子激发的量子状态相互作用,并清除了连贯性,”他说。

“没有相干单光子源,你就不能使用任何这些量子效应作为光量子信息处理的基础,”Lester Wolfe化学教授Bawendi说。他说,具有相干光子可以利用的另一个重要的量子效应是纠缠,其中两个光子本质上就像它们是一个,共享它们的所有属性。

以前的化学制造的胶体量子点材料的相干时间很短,但该团队发现,由钙钛​​矿制造量子点,这是由晶体结构定义的一系列材料,产生的相干水平比以前的版本好一千倍以上。 。这些胶体钙钛矿量子点的相干特性现在接近已建立的发射体的水平,例如金刚石中的原子状缺陷或物理学家使用气相束外延生长的量子点。

他们发现,钙钛矿的一大优势是它们在被激光束刺激后能够非常快速地发射光子。这种高速度可能是潜在量子计算应用的关键特征。它们与周围环境的相互作用很小,大大提高了它们的相干性和稳定性。

Bawendi说,这种相干光子也可用于量子加密通信应用。一种特殊的纠缠,称为极化纠缠,可以成为安全量子通信的基础,这种通信无法阻止拦截。

既然团队已经找到了这些有前途的特性,那么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,它们需要在所产生的光子中实现100%的不可区分性。到目前为止,它们已经达到了20%,“这已经非常了不起”,Utzat说,已经可以与其他材料所达到的相干性相媲美,例如钻石中的原子状荧光缺陷,这些已经建立的系统已经开始研究更久,更长。

“钙钛矿量子点在它们适用于实际应用之前还有很长的路要走,”他说,“但这是一种可用于量子光子学的新材料系统,现在可以进行优化并可能与器件集成。”

研究人员表示,这是一种新现象,需要大量工作才能发展到实用水平。“我们的研究非常基础,”Bawendi指出。“然而,这是朝着开发有希望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。