Квантовые точки могут выплевывать клоноподобные фотоны

Свойства PQD бромида свинца цезия. Предоставлено: Наука (2019)

В глобальном стремлении разработать практические вычислительные и коммуникационные устройства, основанные на принципах квантовой физики, один потенциально полезный компонент оказался неуловимым: источник отдельных частиц света с совершенно постоянными, предсказуемыми и устойчивыми характеристиками. Теперь исследователи в Массачусетском технологическом институте и в Швейцарии говорят, что они сделали серьезные шаги к такому источнику одного фотона.

Исследование, которое включает использование семейства материалов, известных как перовскиты, для создания светоизлучающих частиц, называемых квантовыми точками, появляется сегодня в журнале Science. Статья написана аспирантом Массачусетского технологического института Массачусетского технологического института Хендриком Утзатом, профессором химии Муни Бавенди и еще девятью сотрудниками Массачусетского технологического института и ETH в Цюрихе, Швейцария.

Способность генерировать отдельные фотоны с точно известными и постоянными свойствами, включая длину волны или цвет, который не колеблется вообще, может быть полезна для многих видов предлагаемых квантовых устройств. Поскольку каждый фотон был бы неотличим от других с точки зрения его квантово-механических свойств, можно было бы, например, задержать один из них и затем заставить пару взаимодействовать друг с другом в явлении, называемом помехой.

«Эта квантовая интерференция между разными неразличимыми одиночными фотонами является основой многих оптических квантовых информационных технологий, использующих одиночные фотоны в качестве носителей информации», — объясняет Утзат. «Но это работает только в том случае, если фотоны когерентны, то есть они сохраняют свои квантовые состояния в течение достаточно длительного времени».

Многие исследователи пытались создать источники, которые могли бы излучать такие когерентные одиночные фотоны, но у всех были ограничения. Случайные флуктуации в материалах, окружающих эти излучатели, имеют тенденцию непредсказуемым образом изменять свойства фотонов, разрушая их когерентность. По словам Утзата, поиск материалов для излучателей, которые сохраняют согласованность, а также являются яркими и стабильными, является «принципиально сложной задачей». Это потому, что не только окружение, но даже сами материалы «по существу обеспечивают колеблющуюся ванну, которая случайно взаимодействует с электронно-возбужденным квантовым состоянием и размывает когерентность», говорит он.

«Не имея источника когерентных одиночных фотонов, вы не сможете использовать ни один из этих квантовых эффектов, которые являются основой оптического квантового манипулирования информацией», — говорит Бавенди, профессор химии им. Лестера Вульфа. По его словам, еще один важный квантовый эффект, который можно использовать, имея когерентные фотоны, — это запутывание, при котором два фотона, по сути, ведут себя так, как если бы они были одним, разделяя все свои свойства.

Предыдущие материалы коллоидных квантовых точек, полученные химическим путем, имели непрактично короткое время когерентности, но эта команда обнаружила, что изготовление квантовых точек из перовскитов, семейства материалов, определяемых их кристаллической структурой, дает уровни когерентности, которые были в тысячу раз лучше, чем в предыдущих версиях. , Когерентные свойства этих коллоидных квантовых точек перовскита в настоящее время приближаются к уровням установленных излучателей, таких как атомоподобные дефекты в алмазе или квантовые точки, выращенные физиками с использованием газовой фазовой эпитаксии.

Они обнаружили, что одним из больших преимуществ перовскитов было то, что они очень быстро испускают фотоны после воздействия лазерного луча. Эта высокая скорость может быть важной характеристикой для потенциальных приложений квантовых вычислений. Они также очень мало взаимодействуют с окружающей средой, значительно улучшая их когерентные свойства и стабильность.

По словам Бавенди, такие когерентные фотоны также могут быть использованы в приложениях связи с квантовым шифрованием. Особый вид запутывания, называемый поляризационной запутанностью, может быть основой для безопасной квантовой связи, которая не поддается попыткам перехвата.

Теперь, когда команда нашла эти многообещающие свойства, следующим шагом будет работа над оптимизацией и улучшением их производительности, чтобы сделать их масштабируемыми и практичными. С одной стороны, они должны достичь 100-процентной неразличимости в производимых фотонах. До сих пор они достигли 20 процентов, «что уже очень примечательно», говорит Утзат, уже сопоставимый с когерентностью, достигнутой другими материалами, такими как атомоподобные флуоресцентные дефекты в алмазе, которые уже являются установленными системами и над которыми работали намного длиннее.

«Перовскитным квантовым точкам еще предстоит пройти долгий путь, пока они не станут применимыми в реальных приложениях, — говорит он, — но это новая система материалов, доступная для квантовой фотоники, которая теперь может быть оптимизирована и потенциально интегрирована с устройствами».

Исследователи утверждают, что это новое явление, и для его практического развития потребуется много работы. «Наше исследование очень фундаментально», — отмечает Бавенди. «Тем не менее, это большой шаг к разработке новой многообещающей материальной платформы».

Сайт источника: https://phys.org/news/2019-02-quantum-dots-clone-like-photons.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...