Ученые разрабатывают новый источник квантового света

Новости сегодня - Ученые разрабатывают новый источник квантового света

Исследователи из Массачусетского технологического института показали, что, используя новые материалы, которые широко изучались как потенциальные новые солнечные фотоэлектрические элементы, наночастицы этих материалов могут излучать поток одиночных идентичных фотонов.

Хотя работа в настоящее время является фундаментальным открытием возможностей этих материалов, она может в конечном итоге проложить путь к новым квантовым компьютерам на оптической основе, а также к возможным устройствам квантовой телепортации для связи, говорят исследователи. Результаты были опубликованы 22 июня в журнале Nature Photonics в статье аспиранта Александра Каплана, профессора химии Мунги Бавенди и еще шести человек из Массачусетского технологического института.

Большинство концепций квантовых вычислений используют сверххолодные атомы или спины отдельных электронов в качестве квантовых битов или кубитов, составляющих основу таких устройств. Но около двух десятилетий назад некоторые исследователи предложили идею использования света вместо физических объектов в качестве основных единиц кубитов. Помимо других преимуществ, это устранило бы необходимость в сложном и дорогом оборудовании для управления кубитами, а также для ввода и извлечения данных из них. Вместо этого потребуются обычные зеркала и оптические детекторы .

«С этими кубитоподобными фотонами, — объясняет Каплан, — с помощью простой «бытовой» линейной оптики вы можете построить квантовый компьютер, если у вас есть должным образом подготовленные фотоны».

Подготовка этих фотонов является ключевым моментом. Каждый фотон должен точно соответствовать квантовым характеристикам предыдущего и так далее. Как только это идеальное соответствие будет достигнуто, «действительно большой сдвиг парадигмы изменится от потребности в очень причудливой оптике, очень причудливом оборудовании к потребности в простом оборудовании. Вещь, которая должна быть особенной, — это сам свет».

Затем, объясняет Бавенди, они берут эти одиночные фотоны, идентичные и неотличимые друг от друга, и взаимодействуют друг с другом. Эта неразличимость имеет решающее значение: если у вас есть два фотона, и «в них все одинаково, и вы не можете назвать номер один и номер два, вы не можете отслеживать их таким образом. некоторые неклассические способы».

Каплан говорит, что «если мы хотим, чтобы фотон обладал этим очень специфическим свойством — быть очень четко определенным в энергии, поляризации, пространственном режиме, времени — во всех вещах, которые мы можем закодировать с помощью квантовой механики, нам нужно, чтобы источник был очень четким». хорошо определенные квантово-механически».

Источник, который они в конечном итоге использовали, представляет собой форму наночастиц свинцово-галитного перовскита. Тонкие пленки свинцово-галогенидных перовскитов широко рассматриваются в качестве потенциальных фотоэлектрических элементов следующего поколения, среди прочего, потому что они могут быть намного легче и проще в обработке, чем современные стандартные фотоэлектрические элементы на основе кремния. В форме наночастиц перовскиты на основе галогенидов свинца отличаются невероятно высокой скоростью криогенного излучения, что отличает их от других коллоидных полупроводниковых наночастиц. Чем быстрее излучается свет, тем более вероятно, что выходной сигнал будет иметь четко определенную волновую функцию. Таким образом, высокая скорость излучения уникально позиционирует наночастицы перовскита галогенида свинца для излучения квантового света.

Чтобы проверить, что фотоны, которые они генерируют, действительно обладают этим неразличимым свойством, стандартный тест заключается в обнаружении особого вида интерференции между двумя фотонами, известной как интерференция Хонга-У-Манделя. Это явление является центральным для многих квантовых технологий, говорит Каплан, и поэтому демонстрация его присутствия «была отличительной чертой для подтверждения того, что источник фотонов может использоваться для этих целей».

По его словам, очень немногие материалы могут излучать свет, соответствующий этому критерию. «Их в значительной степени можно перечислить по пальцам одной руки». Хотя их новый источник еще не идеален, создавая помехи HOM только примерно в половине случаев, у других источников есть серьезные проблемы с достижением масштабируемости. «Причина, по которой другие источники когерентны, заключается в том, что они сделаны из самых чистых материалов, и они сделаны индивидуально, один за другим, атом за атомом. Таким образом, у них очень плохая масштабируемость и очень плохая воспроизводимость», — говорит Каплан.

Напротив, наночастицы перовскита сделаны в растворе и просто нанесены на материал подложки. «По сути, мы просто накручиваем их на поверхность, в данном случае на обычную стеклянную поверхность», — говорит Каплан. «И мы видим, что они демонстрируют такое поведение, которое раньше наблюдалось только в самых строгих условиях подготовки».

Таким образом, хотя эти материалы, возможно, еще не совершенны, «они очень масштабируемы, мы можем сделать их много, и в настоящее время они очень неоптимизированы. Мы можем интегрировать их в устройства и еще больше улучшить их». Каплан говорит.

На данном этапе, по его словам, эта работа является «очень интересным фундаментальным открытием», демонстрирующим возможности этих материалов. «Важность этой работы заключается в том, что мы надеемся, что она может побудить людей задуматься о том, как еще больше улучшить их в различных архитектурах устройств».

И, добавляет Бавенди, интегрируя эти излучатели в отражающие системы, называемые оптическими резонаторами, как это уже было сделано с другими источниками, «мы полностью уверены, что интеграция их в оптический резонатор поднимет их свойства до уровня конкурентов. »

Новости партнеров: