量子點可以吐出類似克隆的光子

在開發(fā)基于量子物理原理的實用計算和通信設(shè)備的全球探索中，一個潛在有用的組件被證明是難以捉摸的：一個具有完全恒定、可預(yù)測和穩(wěn)定特性的單個光粒子源。現(xiàn)在，來自麻省理工學(xué)院和瑞士的研究人員表示，他們已經(jīng)朝著這種光子源邁出了重要的一步。

這項研究包括使用一系列被稱為鈣鈦礦的材料來制造被稱為量子點的發(fā)光顆粒，該研究發(fā)表在今天的《科學(xué)》雜志上。這篇論文是由麻省理工學(xué)院化學(xué)系的亨德里克烏扎特、化學(xué)教授穆恩吉巴文迪以及來自麻省理工學(xué)院和瑞士蘇黎世的另外九名ETH研究生完成的。

產(chǎn)生具有精確已知和持久特性(包括波長或顏色)的單個光子的能力完全不會波動，并且可能對許多提議的量子設(shè)備有用。因為每個光子在量子力學(xué)性質(zhì)上無法與其他光子區(qū)分開來，比如一個光子可以被延遲，然后這對光子可以相互作用，這就是所謂的干涉。

烏特扎特解釋說：“不同不可區(qū)分的單光子之間的量子干涉是許多使用單光子作為信息載體的光學(xué)量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)?！暗挥挟敼庾邮窍喔傻模@意味著它們可以在足夠長的時間內(nèi)保持它們的量子狀態(tài)時，它才有效?！?

許多研究人員試圖制造一種可以發(fā)射這種相干單光子的光源，但都有局限性。這些發(fā)射器周圍材料的隨機波動通常會以不可預(yù)測的方式改變光子的屬性，從而破壞它們的相干性。Utzat說，尋找一致且明亮穩(wěn)定的發(fā)光材料是“根本性的挑戰(zhàn)”。這是因為不僅環(huán)境，而且材料本身“基本上提供了一個波動的浴池，它隨機地與電子激發(fā)的量子態(tài)相互作用，并消除了相干性，”他說。

萊斯特沃爾夫(Lester Wolfe)的化學(xué)教授巴文迪(Bawendi)說：“如果沒有相干單光子源，就無法將這些量子效應(yīng)中的任何一種用作光學(xué)量子信息處理的基礎(chǔ)。他說，相干光子可以利用的另一個重要量子效應(yīng)是糾纏，在糾纏中，兩個光子基本上共享它們的所有屬性，就像它們是一個一樣。

過去制作的膠體量子點材料的相干時間很短，但研究小組發(fā)現(xiàn)，由鈣鈦礦制成的量子點，這是一系列由晶體結(jié)構(gòu)定義的材料，產(chǎn)生的相干水平比前一個版本好1000多倍。這些膠體鈣鈦礦量子點的相干特性現(xiàn)在已經(jīng)接近已建立的發(fā)射體水平，例如物理學(xué)家使用蒸汽束外延生長的金剛石或量子點中的原子缺陷。

他們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦的一個很大的優(yōu)點是在受到激光束的刺激后可以非?？斓匕l(fā)射光子。這種高速可能是潛在量子計算應(yīng)用的關(guān)鍵特征。它們與周圍環(huán)境的互動很少，這大大提高了它們的連貫性和穩(wěn)定性。

巴文迪說，這種相干光子也可以用于量子加密通信應(yīng)用。一種特殊的糾纏，稱為偏振糾纏，可以作為安全量子通信的基礎(chǔ)，不能阻止攔截。

既然團隊已經(jīng)找到了這些有前途的特性，下一步就是優(yōu)化和提高它們的性能，使它們具有可擴展性和實用性。首先，它們需要在產(chǎn)生的光子中實現(xiàn)100%的不可分辨性。到目前為止，他們已經(jīng)達到了20%。“這非常了不起，”烏特扎特說，其他材料實現(xiàn)的相干性可以相提并論，比如鉆石中的原子熒光缺陷。這些已經(jīng)建立的系統(tǒng)已經(jīng)被研究了越來越久。

他說：“鈣鈦礦量子點在應(yīng)用于實際應(yīng)用之前，還有很長的路要走?！暗@是一種可以用于量子光子學(xué)的新材料體系，現(xiàn)在可以進行優(yōu)化，并可能與器件集成。”

研究人員表示，這是一個新現(xiàn)象，需要大量的工作才能發(fā)展到實際水平。巴文迪指出：“我們的研究非?；A(chǔ)?！叭欢@是朝著開發(fā)有前途的新材料平臺邁出的一大步。”

這項工作得到了美國能源部、國家科學(xué)基金會和瑞士聯(lián)邦技術(shù)和創(chuàng)新委員會的支持。

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