麻省理工开发出一种新的量子光源

麻省理工学院的研究人员利用被广泛研究的新型太阳能光伏材料，证明了这些材料的纳米颗粒可以发射出一束相同的单光子。

研究人员说，虽然这项工作目前是对这些材料能力的根本性发现，但它最终可能为新的光学量子计算机以及用于通信的量子隐形传态设备铺平道路。研究结果发表在6月22日的《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(Alexander Kaplan)、化学教授蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)和其他六人。

量子计算的大多数概念使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子比特，或量子位，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，以控制量子位，并从中输入和提取数据。取而代之的是，普通的镜子和光学探测器就足够了。

显微成像显示了钙钛矿纳米晶体的尺寸均匀性。

卡普兰解释说：“有了这些类似量子比特的光子，只要你有适当准备的光子，你就可以用‘家庭’线性光学来建造量子计算机。”

这些光子的制备是关键。每个光子都必须与前一个光子的量子特性精确匹配，依此类推。一旦实现了完美的匹配，真正大的范式转变是从需要非常花哨的光学器件，非常花哨的设备，转变为只需要简单的设备。需要特别的是光本身。

然后，Bawendi解释说，他们获取这些相同且彼此无法区分的单个光子，并将它们相互作用。这种不可区分性至关重要：如果你有两个光子，并且关于它们的一切都是一样的，你不能说第一和第二，你不能那样跟踪它们。这就是允许他们以某些非经典的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，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中定义得非常明确，我们还需要源在量子力学上定义得非常明确。”

他们最终使用的来源是一种铅盐石钙钛矿纳米颗粒。卤化铅钙钛矿薄膜正被广泛追捧为潜在的下一代光伏器件，因为它们可能比当今的标准硅基光伏器件更轻、更易于加工。在纳米颗粒形式中，卤化铅钙钛矿以其令人眼花缭乱的低温辐射速率而著称，这使它们与其他胶体半导体纳米颗粒区分开来。光发射得越快，输出就越有可能具有明确定义的波函数。因此，快速辐射速率独特地定位卤化铅钙钛矿纳米颗粒以发射量子光。

为了测试它们产生的光子是否确实具有这种无法区分的性质，标准测试是检测两个光子之间的一种特定类型的干涉，称为洪欧曼德尔干涉。卡普兰说：“这种现象是许多基于量子的技术的核心，因此证明它的存在一直是确认光子源可用于这些目的的标志”。

他说：“很少有材料可以发出符合这一测试的光。他们几乎可以一方面列出。虽然他们的新源还不完善，只产生大约一半的时间，但其他源在实现可扩展性方面存在重大问题。”

卡普兰说：“其他来源是连贯的原因是它们是用最纯净的材料制成的，它们是一个接一个，一个原子一个原子地单独制造的。因此，可扩展性非常差，可重复性非常差。”

相比之下，钙钛矿纳米颗粒是在溶液中制成的，并简单地沉积在基板上。卡普兰说：“我们基本上只是将它们旋转到表面上，在这种情况下只是一个普通的玻璃表面。我们看到他们经历了这种行为，这种行为以前只有在最严格的准备条件下才能看到。”

因此，即使这些材料可能还不完美，卡普兰说：“它们非常可扩展，我们可以制造很多。而且它们目前非常未优化。我们可以将它们集成到设备中，我们可以进一步改进它们。”

他说：“在现阶段，这项工作是一个非常有趣的基本发现，展示了这些材料的能力。这项工作的重要性在于，希望它可以鼓励人们研究如何在各种设备架构中进一步增强这些。”

而且，Bawendi补充说：“通过将这些发射器集成到称为光学腔的反射系统中，就像其他来源所做的那样，我们完全有信心将它们集成到光学腔中将使它们的特性达到竞争水平。”

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