麻省理工開發(fā)出一種新的量子光源

麻省理工學(xué)院的研究人員利用被廣泛研究的新型太陽能光伏材料，證明了這些材料的納米顆粒可以發(fā)射出一束相同的單光子。

研究人員說，雖然這項(xiàng)工作目前是對(duì)這些材料能力的根本性發(fā)現(xiàn)，但它最終可能為新的光學(xué)量子計(jì)算機(jī)以及用于通信的量子隱形傳態(tài)設(shè)備鋪平道路。研究結(jié)果發(fā)表在6月22日的《自然·光子學(xué)》雜志上，論文作者是麻省理工學(xué)院的研究生亞歷山大·卡普蘭(Alexander Kaplan)、化學(xué)教授蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)和其他六人。 量子計(jì)算的大多數(shù)概念使用超冷原子或單個(gè)電子的自旋作為量子比特，或量子位，構(gòu)成此類設(shè)備的基礎(chǔ)。但大約二十年前，一些研究人員提出了使用光而不是物理物體作為基本量子比特單位的想法。除其他優(yōu)點(diǎn)外，這將消除對(duì)復(fù)雜而昂貴的設(shè)備的需求，以控制量子位，并從中輸入和提取數(shù)據(jù)。取而代之的是，普通的鏡子和光學(xué)探測器就足夠了。

顯微成像顯示了鈣鈦礦納米晶體的尺寸均勻性 卡普蘭解釋說：“有了這些類似量子比特的光子，只要你有適當(dāng)準(zhǔn)備的光子，你就可以用‘家庭’線性光學(xué)來建造量子計(jì)算機(jī)?！?這些光子的制備是關(guān)鍵。每個(gè)光子都必須與前一個(gè)光子的量子特性精確匹配，依此類推。一旦實(shí)現(xiàn)了完美的匹配，真正大的范式轉(zhuǎn)變是從需要非?；ㄉ诘墓鈱W(xué)器件，非?；ㄉ诘脑O(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍枰唵蔚脑O(shè)備。需要特別的是光本身。 然后，Bawendi解釋說，他們獲取這些相同且彼此無法區(qū)分的單個(gè)光子，并將它們相互作用。這種不可區(qū)分性至關(guān)重要：如果你有兩個(gè)光子，并且關(guān)于它們的一切都是一樣的，你不能說第一和第二，你不能那樣跟蹤它們。這就是允許他們以某些非經(jīng)典的方式進(jìn)行互動(dòng)的原因。 卡普蘭說：“如果我們希望光子具有這種非常特殊的屬性，在能量、偏振、空間模式、時(shí)間以及所有我們可以用量子力學(xué)編碼的東西中定義得非常明確，我們還需要源在量子力學(xué)上定義得非常明確。” 他們最終使用的來源是一種鉛鹽石鈣鈦礦納米顆粒。鹵化鉛鈣鈦礦薄膜正被廣泛追捧為潛在的下一代光伏器件，因?yàn)樗鼈兛赡鼙犬?dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)硅基光伏器件更輕、更易于加工。在納米顆粒形式中，鹵化鉛鈣鈦礦以其令人眼花繚亂的低溫輻射速率而著稱，這使它們與其他膠體半導(dǎo)體納米顆粒區(qū)分開來。光發(fā)射得越快，輸出就越有可能具有明確定義的波函數(shù)。因此，快速輻射速率獨(dú)特地定位鹵化鉛鈣鈦礦納米顆粒以發(fā)射量子光。 為了測試它們產(chǎn)生的光子是否確實(shí)具有這種無法區(qū)分的性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)測試是檢測兩個(gè)光子之間的一種特定類型的干涉，稱為洪歐曼德爾干涉?？ㄆ仗m說：“這種現(xiàn)象是許多基于量子的技術(shù)的核心，因此證明它的存在一直是確認(rèn)光子源可用于這些目的的標(biāo)志”。 他說：“很少有材料可以發(fā)出符合這一測試的光。他們幾乎可以一方面列出。雖然他們的新源還不完善，只產(chǎn)生大約一半的時(shí)間，但其他源在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性方面存在重大問題。”

卡普蘭說：“其他來源是連貫的原因是它們是用最純凈的材料制成的，它們是一個(gè)接一個(gè)，一個(gè)原子一個(gè)原子地單獨(dú)制造的。因此，可擴(kuò)展性非常差，可重復(fù)性非常差?！?/p>

相比之下，鈣鈦礦納米顆粒是在溶液中制成的，并簡單地沉積在基板上?？ㄆ仗m說：“我們基本上只是將它們旋轉(zhuǎn)到表面上，在這種情況下只是一個(gè)普通的玻璃表面。我們看到他們經(jīng)歷了這種行為，這種行為以前只有在最嚴(yán)格的準(zhǔn)備條件下才能看到。” 因此，即使這些材料可能還不完美，卡普蘭說：“它們非?？蓴U(kuò)展，我們可以制造很多。而且它們目前非常未優(yōu)化。我們可以將它們集成到設(shè)備中，我們可以進(jìn)一步改進(jìn)它們?！?他說：“在現(xiàn)階段，這項(xiàng)工作是一個(gè)非常有趣的基本發(fā)現(xiàn)，展示了這些材料的能力。這項(xiàng)工作的重要性在于，希望它可以鼓勵(lì)人們研究如何在各種設(shè)備架構(gòu)中進(jìn)一步增強(qiáng)這些。” 而且，Bawendi補(bǔ)充說：“通過將這些發(fā)射器集成到稱為光學(xué)腔的反射系統(tǒng)中，就像其他來源所做的那樣，我們完全有信心將它們集成到光學(xué)腔中將使它們的特性達(dá)到競爭水平?！?