Forscher entwickeln eine neue Quantenlichtquelle
von David L. Chandler für MIT News
Boston MA (SPX) 23. Juni 2023
Mithilfe neuartiger Materialien, die umfassend als potenzielle neue Solarphotovoltaik untersucht wurden, haben Forscher am MIT gezeigt, dass Nanopartikel dieser Materialien einen Strom einzelner, identischer Photonen emittieren können.
Während die Arbeit derzeit eine grundlegende Entdeckung der Fähigkeiten dieser Materialien darstellt, könnte sie letztendlich den Weg für neue optisch basierte Quantencomputer sowie mögliche Quantenteleportationsgeräte für die Kommunikation ebnen, sagen die Forscher. Die Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift Nature Photonics in einem Artikel des Doktoranden Alexander Kaplan, des Chemieprofessors Moungi Bawendi und sechs weiterer Personen am MIT.
Die meisten Konzepte für Quantencomputer nutzen ultrakalte Atome oder die Spins einzelner Elektronen als Quantenbits oder Qubits, die die Basis solcher Geräte bilden. Doch vor etwa zwei Jahrzehnten schlugen einige Forscher die Idee vor, Licht anstelle von physischen Objekten als grundlegende Qubit-Einheiten zu verwenden. Dies würde unter anderem den Bedarf an komplexer und teurer Ausrüstung zur Steuerung der Qubits sowie zur Eingabe und Extraktion von Daten aus ihnen eliminieren. Stattdessen wären lediglich gewöhnliche Spiegel und optische Detektoren erforderlich.
„Mit diesen Qubit-ähnlichen Photonen“, erklärt Kaplan, „kann man mit nur ‚haushaltsüblicher‘ linearer Optik einen Quantencomputer bauen, vorausgesetzt, man verfügt über entsprechend vorbereitete Photonen.“
Die Vorbereitung dieser Photonen ist der Schlüssel. Jedes Photon muss genau den Quanteneigenschaften des vorherigen entsprechen und so weiter. Sobald diese perfekte Übereinstimmung erreicht ist, „besteht der wirklich große Paradigmenwechsel darin, von der Notwendigkeit einer sehr ausgefallenen Optik und einer sehr ausgefallenen Ausrüstung hin zur Notwendigkeit einer einfachen Ausrüstung zu wechseln.“ Das Besondere ist das Licht selbst.“
Dann, erklärt Bawendi, nehmen sie diese einzelnen Photonen, die identisch und nicht voneinander zu unterscheiden sind, und interagieren sie miteinander. Diese Ununterscheidbarkeit ist entscheidend: Wenn man zwei Photonen hat und „alles an ihnen gleich ist und man nicht Nummer eins und Nummer zwei sagen kann, kann man sie auf diese Weise nicht im Auge behalten.“ Das ermöglicht es ihnen, auf bestimmte, nicht klassische Weise zu interagieren.“
Kaplan sagt: „Wenn wir wollen, dass das Photon diese sehr spezifische Eigenschaft hat, sehr genau definiert zu sein in Bezug auf Energie, Polarisation, räumlicher Modus, Zeit und all die Dinge, die wir quantenmechanisch kodieren können, müssen wir eine sehr genaue Quelle haben.“ auch quantenmechanisch wohldefiniert.“
Die Quelle, die sie letztendlich verwendeten, war eine Form von Blei-Halit-Perowskit-Nanopartikeln. Dünne Filme aus Bleihalogenid-Perowskiten werden weithin als potenzielle Photovoltaik der nächsten Generation angestrebt, unter anderem weil sie viel leichter und einfacher zu verarbeiten sein könnten als die heutige Standard-Photovoltaik auf Siliziumbasis.
In Nanopartikelform zeichnen sich Bleihalogenid-Perowskite durch ihre unglaublich hohe kryogene Strahlungsrate aus, die sie von anderen kolloidalen Halbleiter-Nanopartikeln unterscheidet. Je schneller das Licht emittiert wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Ausgabe eine wohldefinierte Wellenfunktion aufweist. Die hohen Strahlungsraten positionieren Bleihalogenid-Perowskit-Nanopartikel somit in einzigartiger Weise für die Emission von Quantenlicht.
Um zu testen, ob die von ihnen erzeugten Photonen tatsächlich diese nicht unterscheidbare Eigenschaft haben, besteht ein Standardtest darin, eine bestimmte Art von Interferenz zwischen zwei Photonen zu erkennen, die als Hong-Ou-Mandel-Interferenz bekannt ist. Dieses Phänomen sei für viele quantenbasierte Technologien von zentraler Bedeutung, sagt Kaplan, und daher sei der Nachweis seiner Präsenz „ein Kennzeichen dafür gewesen, zu bestätigen, dass eine Photonenquelle für diese Zwecke verwendet werden kann“.
Nur sehr wenige Materialien können Licht aussenden, das diesen Test besteht, sagt er. „Sie können so ziemlich auf einer Seite aufgelistet werden.“ Während ihre neue Quelle noch nicht perfekt ist und die HOM-Interferenz nur etwa in der Hälfte der Zeit erzeugt, haben die anderen Quellen erhebliche Probleme mit der Skalierbarkeit. „Der Grund, warum andere Quellen kohärent sind, liegt darin, dass sie aus den reinsten Materialien bestehen und einzeln, einzeln, Atom für Atom, hergestellt werden. Es gibt also eine sehr schlechte Skalierbarkeit und eine sehr schlechte Reproduzierbarkeit“, sagt Kaplan.
Im Gegensatz dazu werden die Perowskit-Nanopartikel in einer Lösung hergestellt und einfach auf einem Substratmaterial abgeschieden. „Wir schleudern sie im Grunde einfach auf eine Oberfläche, in diesem Fall nur eine normale Glasoberfläche“, sagt Kaplan. „Und wir sehen, dass sie ein Verhalten an den Tag legen, das zuvor nur unter strengsten Vorbereitungsbedingungen beobachtet wurde.“
Auch wenn diese Materialien vielleicht noch nicht perfekt sind: „Sie sind sehr skalierbar, wir können viele davon herstellen.“ und sie sind derzeit sehr unoptimiert. Wir können sie in Geräte integrieren und weiter verbessern“, sagt Kaplan.
Zum jetzigen Zeitpunkt sei diese Arbeit „eine sehr interessante grundlegende Entdeckung“, die die Leistungsfähigkeit dieser Materialien zeige. „Die Bedeutung der Arbeit besteht darin, dass sie hoffentlich Menschen dazu anregen kann, darüber nachzudenken, wie diese in verschiedenen Gerätearchitekturen weiter verbessert werden können.“
Und Bawendi fügt hinzu: „Durch die Integration dieser Emitter in reflektierende Systeme, sogenannte optische Hohlräume, wie dies bereits bei den anderen Quellen geschehen ist, sind wir voll und ganz davon überzeugt, dass die Integration in einen optischen Hohlraum ihre Eigenschaften auf das Niveau der Konkurrenz bringen wird.“ ”
Zum Forschungsteam gehörten Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky und Hendrik Utzat. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.
Forschungsbericht:„Hong-Ou-Mandel-Interferenz in kolloidalen CsPbBr3-Perowskit-Nanokristallen“
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MIT-Abteilung für Chemie
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- Quelle: https://www.solardaily.com/reports/Researchers_develop_a_new_source_of_quantum_light_999.html