研究人员开发出一种新的量子光源
发布时间：2023-06-26 08:00:00 阅读数： 108
显微镜成像显示过氧化物纳米晶体的尺寸均匀性。资料来源：麻省理工学院
麻省理工学院的研究人员利用已被广泛研究为潜在的新太阳能光伏材料，表明这些材料的纳米颗粒可以发射出单一的、相同的光子流。
研究人员说，虽然这项工作目前是对这些材料能力的基本发现，但它最终可能为新的基于光学的量子计算机铺平道路，也可能为通信的量子传送装置。这一成果于6月22日发表在《自然-光子学》杂志上，论文作者是麻省理工学院的研究生亚历山大-卡普兰、化学教授穆恩吉-巴文迪和其他六位学者。
大多数量子计算的概念使用超冷原子或单个电子的自旋来充当量子比特，或称量子比特，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比特单位的想法。除其他优点外，这将消除对复杂而昂贵的设备的需求，以控制量子比特并从中输入和提取数据。相反，只需要普通的镜子和光学检测器就可以了。
卡普兰解释说："有了这些类似于量子比特的光子，""只需'家用'线性光学，你就可以建立一台量子计算机，只要你有适当准备的光子。"
这些光子的准备是关键所在。每个光子必须与之前的光子的量子特性精确匹配，以此类推。一旦实现了这种完美的匹配，"那么真正大的范式转变是从需要非常花哨的光学设备，非常花哨的设备，到只需要简单的设备。需要特别的东西是光本身"。
然后，Bawendi解释说，他们把这些彼此相同且无法区分的单一光子拿出来，并使它们相互作用。这种不可分性至关重要：如果你有两个光子，而且 "它们的一切都一样，你不能说是一号和二号，你就不能以这种方式跟踪它们。这就是允许它们以某些非经典的方式相互作用的原因"。
卡普兰说，"如果我们希望光子具有这种非常具体的属性，即在能量、偏振、空间模式、时间等方面非常明确，我们可以对量子力学进行编码，我们需要源也是非常明确的量子力学。"
他们最终使用的资源是一种铅卤化物过氧化物纳米颗粒。铅卤化物过氧化物薄膜作为潜在的下一代光伏技术正在被广泛追求，除其他外，因为它们可能比今天的标准硅基光伏技术更轻，更容易加工。在纳米粒子形式中，铅卤化物过氧化物因其极快的低温辐射率而引人注目，这使它们与其他胶体半导体纳米粒子不同。光的发射速度越快，输出就越有可能有一个明确的波函数。因此，快速的辐射率使铅卤化物过氧化物纳米粒子具有独特的定位，可以发射量子光。
为了测试它们产生的光子是否真的具有这种无差别的特性，一个标准的测试是检测两个光子之间的一种特定的干扰，称为Hong-Ou-Mandel干扰。卡普兰说，这种现象是很多基于量子的技术的核心，因此证明它的存在 "一直是确认一个光子源可以用于这些目的的标志"。
他说，很少有材料能够发射出符合这一测试的光。"它们几乎可以用一只手列出"。虽然他们的新源还不完美，只在大约一半的时间内产生HOM干扰，但其他源在实现可扩展性方面有重大问题。"其他源之所以是相干的，是因为它们是用最纯净的材料制成的，而且是一个一个地、一个一个地单独制成的。因此，可扩展性非常差，可重复性也非常差，"卡普兰说。
相比之下，过氧化物纳米粒子是在溶液中制成的，并简单地沉积在一个基底材料上。"我们基本上只是把它们旋转到一个表面上，在这种情况下只是一个普通的玻璃表面，"卡普兰说。"而且我们看到它们发生了这种行为，而以前只有在最严格的制备条件下才能看到这种行为。"
因此，尽管这些材料可能还不完美，"它们非常具有可扩展性，我们可以制造出大量的材料，而且它们目前还没有被优化。我们可以将它们集成到设备中，而且我们可以进一步改进它们，"卡普兰说。
他说，在这个阶段，这项工作是 "一个非常有趣的基本发现"，显示了这些材料的能力。"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加强这些材料。"
而且，Bawendi补充说，通过将这些发射器集成到称为光腔的反射系统中，正如已经对其他来源所做的那样，"我们完全有信心将它们集成到一个光腔中，将使它们的性能达到竞争水平"。
参考资料
Alexander E. K. Kaplan et al, Hong–Ou–Mandel interference in colloidal CsPbBr3 perovskite nanocrystals, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01225-w
