麻省理工開發(fā)出一種新的量子光源

麻省理工學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，雖然這項工作目前是對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量子計算機以及用于通信的量子隱形傳態(tài)設備鋪平道路。研究結果發(fā)表在6月22日的《自然·光子學》雜志上，論文作者是麻省理工學院的研究生亞歷山大·卡普蘭(Alexander Kaplan)、化學教授蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)和其他六人。量子計算的大多數(shù)概念使用超冷原子或單個電子的自旋作為量子比特，或量子位，構成此類設備的基礎。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)點外，這將消除對復雜而昂貴的設備的需求，以控制量子位，并從中輸入和提取數(shù)據。取而代之的是，普通的鏡子和光學探測器就足夠了。

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，只要你有適當準備的光子，你就可以用‘家庭’線性光學來建造量子計算機?！边@些光子的制備是關鍵。每個光子都必須與前一個光子的量子特性精確匹配，依此類推。一旦實現(xiàn)了完美的匹配，真正大的范式轉變是從需要非常花哨的光學器件，非?；ㄉ诘脑O備，轉變?yōu)橹恍枰唵蔚脑O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)分的單個光子，并將它們相互作用。這種不可區(qū)分性至關重要：如果你有兩個光子，并且關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典的方式進行互動的原因。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、時間以及所有我們可以用量子力學編碼的東西中定義得非常明確，我們還需要源在量子力學上定義得非常明確?！彼麄冏罱K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，因為它們可能比當今的標準硅基光伏器件更輕、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。為了測試它們產生的光子是否確實具有這種無法區(qū)分的性質，標準測試是檢測兩個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的核心，因此證明它的存在一直是確認光子源可用于這些目的的標志”。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，只產生大約一半的時間，但其他源在實現(xiàn)可擴展性方面存在重大問題?！?/p>

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，它們是一個接一個，一個原子一個原子地單獨制造的。因此，可擴展性非常差，可重復性非常差?！?/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到表面上，在這種情況下只是一個普通的玻璃表面。我們看到他們經歷了這種行為，這種行為以前只有在最嚴格的準備條件下才能看到。”因此，即使這些材料可能還不完美，卡普蘭說：“它們非常可擴展，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備中，我們可以進一步改進它們?！彼f：“在現(xiàn)階段，這項工作是一個非常有趣的基本發(fā)現(xiàn)，展示了這些材料的能力。這項工作的重要性在于，希望它可以鼓勵人們研究如何在各種設備架構中進一步增強這些。”而且，Bawendi補充說：“通過將這些發(fā)射器集成到稱為光學腔的反射系統(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腔中將使它們的特性達到競爭水平。”

審核編輯 黃宇