MIT科学家发现了新的量子光源

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发布时间：2023-06-24

麻省理工学院的研究人员利用已被广泛研究为潜在的新型太阳能光伏材料，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，虽然这项工作目前代表了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以及可能的通信量子隐形传态装置铺平道路。

这些结果出现在《自然·光子学》杂志上，由研究生Alexander Kaplan、化学教授Moungi Bawendi和麻省理工学院的其他六人撰写。

大多数量子计算的概念使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子比特，以构成这种设备的基础。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。

——这将消除对复杂和昂贵的设备的需求，可以控制量子比特，并从它们中输入和提取数据；并且，只需要普通的镜子和光学探测器就可以了。

Kaplan解释说：“有了这些类似于量子比特的光子，只要有适当准备的光子，科学家就可以用‘家用’线性光学技术建造一台量子计算机。”

这些光子的准备是关键：每个光子必须与前一个光子的量子特性完全匹配，以此类推。

一旦实现了这种完美的匹配，“真正的大范式转变是从需要非常花哨的光学器件和装备到需要非常花哨的装备。最特别的是光本身。”

然后，研究团队解释说，他们采取了这些单独的光子（这些光子是相同的、相互之间无法区分、并且相互作用）。这种不可分性是关键：如果有两个光子，“关于它们的一切都一样，我们就不能以传统方式跟踪、区分它们。”

“如果我们希望光子具有这种非常具体的属性，在能量、偏振、空间模式、时间和所有这些我们可以量子力学编码的东西方面非常明确，我们需要一个非常精确的‘源’。”

他们最终使用的“源(source)”是某种形式的卤化铅过氧化物纳米粒子。卤化铅过氧化物薄膜被广泛作为潜在的下一代光伏技术的目标，部分原因是它们可能比今天的标准硅基光伏技术更轻，更容易加工。

该装置在室温下发射单个照片流，可为光量子计算机提供基础。

Hong-Ou-Mandel干涉测量法和双激子过滤。

在纳米粒子形式中，卤化铅过氧化物的特点是其难以置信的高低温辐射率，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，输出的光就越有可能有一个明确的波函数。因此，高辐射率使卤化铅过氧化物纳米粒子在量子光发射方面具有独特的地位。

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特定类型的干扰——称为Hong-Ou-Mandel干扰。

Kaplan表示，这种现象是许多基于量子的技术的核心，因此检测它的存在“一直是确认一个光子源可以用于这些目的的标志”。

很少有材料能够发射出通过这一测试的光。这次的实验结果却带来了惊喜：虽然新源还不完美、只在大约一半的时间内产生HOM干扰，但其他源却往往有重大的可扩展性问题。

“其他源之所以是相干的，是因为它们是由最纯净的材料制成的，并且是一个一个原子地制作的。所以可扩展性非常差，可重复性也非常差。”

与此相反，过氧化物纳米粒子是在溶液中制成的，并简单地沉积在基底材料上。“我们基本上只是把它们扔在一个表面（在此次实验中只是一个普通的玻璃表面），然后我们就看到了它们表现出的行为——这以前只有在最严格的制备条件下才能观察到。”

虽然这些材料可能还不完美，但“它们是非常可扩展的，我们可以制造大量的材料。”同时，这些材料现在也还非常不优化。研究团队表示，“我们可以将它们整合到设备中，并继续改进它们。”

截至目前，这项工作是一个非常有趣的基本发现，显示了这些材料的力量。“这项工作的重要性在于，它可望刺激人们思考如何在不同的设备架构中进一步改进这些材料。”

研究团队补充说：“通过将这些发射器集成到反射系统（即光腔）中，我们完全相信，集成到光腔中会使它们的特性极具竞争力。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01225-w

[2]https://news.mit.edu/2023/researchers-develop-new-source-quantum-light-0622

[3]https://worldtimetodays.com/mit-scientists-are-developing-a-new-quantum-light-source/

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