研究人员开发出一种新的量子光源
作者：麻省理工学院新闻的 David L. Chandler
马萨诸塞州波士顿 (SPX) 23 年 2023 月 XNUMX 日
麻省理工学院的研究人员使用已被广泛研究作为潜在的新型太阳能光伏发电的新型材料，证明这些材料的纳米颗粒可以发射单个相同的光子流。
研究人员表示，虽然这项工作目前是对这些材料功能的基本发现，但它最终可能为新型光学量子计算机以及可能的用于通信的量子隐形传态设备铺平道路。 研究结果发表在《自然光子学》杂志上，论文作者为麻省理工学院研究生亚历山大·卡普兰、化学教授蒙吉·巴文迪和其他六人。
大多数量子计算概念都使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子位，构成此类设备的基础。 但大约二十年前，一些研究人员提出了使用光而不是物理物体作为基本量子位单元的想法。 除其他优点外，这将消除对复杂且昂贵的设备来控制量子位以及输入和提取数据的需要。 相反，普通的镜子和光学探测器就足够了。
“有了这些类似量子位的光子，”卡普兰解释道，“只要你有适当准备的光子，只需‘家用’线性光学器件，你就可以建造一台量子计算机。”
这些光子的准备是关键。 每个光子都必须与前一个光子的量子特性精确匹配，等等。 一旦实现完美匹配，“真正重大的范式转变就是从需要非常奇特的光学器件、非常奇特的设备，转变为只需要简单的设备。 需要特别的是光本身。”
然后，巴文迪解释说，他们采用这些彼此相同且无法区分的单光子，并使它们相互作用。 这种不可区分性至关重要：如果你有两个光子，并且“它们的一切都是一样的，你不能说第一和第二，你就无法以这种方式跟踪它们。 这就是让他们能够以某些非经典方式进行互动的原因。”
卡普兰说：“如果我们希望光子具有这种非常特殊的属性，即在能量、偏振、空间模式、时间以及所有我们可以用量子力学编码的东西上有很好的定义，我们需要源非常量子力学上也有明确定义。”
他们最终使用的来源是一种铅盐石钙钛矿纳米颗粒。 卤化铅钙钛矿薄膜作为潜在的下一代光伏材料而受到广泛的关注，因为它们比当今标准的硅基光伏材料更轻，更容易加工。
纳米颗粒形式的卤化铅钙钛矿以其极快的低温辐射率而闻名，这使它们有别于其他胶体半导体纳米颗粒。 光发射得越快，输出就越有可能具有明确的波函数。 因此，快速的辐射速率使卤化铅钙钛矿纳米颗粒能够独特地发射量子光。
为了测试它们产生的光子确实具有这种不可区分的特性，标准测试是检测两个光子之间的一种特定类型的干涉，称为红欧曼德尔干涉。 卡普兰说，这种现象是许多基于量子的技术的核心，因此证明它的存在“已成为确认光子源可用于这些目的的标志”。
他说，很少有材料能够发出符合这项测试的光。 “它们几乎可以用一只手列出来。” 虽然他们的新源尚不完美，仅在大约一半的情况下产生 HOM 干扰，但其他源在实现可扩展性方面存在重大问题。 “其他来源之所以一致，是因为它们是用最纯净的材料制成的，并且它们是一个接一个、一个原子接一个原子地单独制成的。 因此，可扩展性和再现性都很差，”卡普兰说。
相比之下，钙钛矿纳米粒子是在溶液中制成的，然后简单地沉积在基材材料上。 “我们基本上只是将它们旋转到一个表面上，在本例中只是一个普通的玻璃表面，”卡普兰说。 “我们看到他们经历了以前只有在最严格的准备条件下才能看到的行为。”
因此，尽管这些材料可能还不完美，“它们的可扩展性非常好，我们可以制造很多。 而且它们目前还没有得到优化。 我们可以将它们集成到设备中，并且可以进一步改进它们，”卡普兰说。
他说，在现阶段，这项工作是“一个非常有趣的基本发现”，展示了这些材料的功能。 “这项工作的重要性在于，希望它能够鼓励人们研究如何在各种设备架构中进一步增强这些功能。”
而且，Bawendi 补充道，通过将这些发射器集成到称为光学腔的反射系统中，就像其他光源所做的那样，“我们完全有信心将它们集成到光学腔中将使其性能达到竞争水平。 ”
研究团队包括 Chantalle Krajewska、Andrew Proppe、Weiwei Sun、Tara Sverko、David Berkinsky 和 Hendrik Utzat。 这项工作得到了美国能源部和加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。