In de wereldwijde zoektocht om praktische computer- en communicatieapparatuur te ontwikkelen op basis van de principes van de kwantumfysica, één potentieel bruikbare component is ongrijpbaar gebleken:een bron van individuele lichtdeeltjes met perfect constante, voorspelbaar, en stabiele kenmerken. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT en in Zwitserland zeggen dat ze grote stappen hebben gezet in de richting van zo'n enkele fotonbron.

De studie, waarbij gebruik wordt gemaakt van een familie van materialen die bekend staat als perovskieten om lichtgevende deeltjes te maken die kwantumdots worden genoemd, verschijnt vandaag in het journaal Wetenschap . Het papier is van MIT-afgestudeerde student scheikunde Hendrik Utzat, hoogleraar scheikunde Moungi Bawendi, en negen anderen aan het MIT en aan de ETH in Zürich, Zwitserland.

Het vermogen om individuele fotonen te produceren met precies bekende en persistente eigenschappen, inclusief een golflengte, of kleur, dat fluctueert helemaal niet, zou nuttig kunnen zijn voor vele soorten voorgestelde kwantumapparaten. Omdat elk foton niet te onderscheiden zou zijn van de andere in termen van zijn kwantummechanische eigenschappen, Het kan mogelijk zijn, bijvoorbeeld, om een ​​van hen uit te stellen en het paar vervolgens met elkaar te laten communiceren, in een fenomeen dat interferentie wordt genoemd.

"Deze kwantuminterferentie tussen verschillende niet te onderscheiden afzonderlijke fotonen is de basis van veel optische kwantuminformatietechnologieën die enkele fotonen als informatiedragers gebruiken, Utzat legt uit. "Maar het werkt alleen als de fotonen coherent zijn, wat betekent dat ze hun kwantumtoestanden lang genoeg behouden."

Veel onderzoekers hebben geprobeerd bronnen te produceren die zulke coherente enkelvoudige fotonen zouden kunnen uitzenden, maar ze hebben allemaal beperkingen gehad. Willekeurige fluctuaties in de materialen rond deze emitters hebben de neiging om de eigenschappen van de fotonen op onvoorspelbare manieren te veranderen, hun samenhang teniet doen. Het vinden van emittermaterialen die coherent blijven en ook helder en stabiel zijn, is "fundamenteel uitdagend, " zegt Utzat. Dat komt omdat niet alleen de omgeving, maar zelfs de materialen zelf "in wezen zorgen voor een fluctuerend bad dat willekeurig interageert met de elektronisch geëxciteerde kwantumtoestand en de samenhang wegspoelt, " hij zegt.

"Zonder een bron van coherente enkele fotonen, je kunt geen van deze kwantumeffecten gebruiken die de basis vormen van optische kwantuminformatiemanipulatie, " zegt Bawendi, wie is de Lester Wolfe hoogleraar scheikunde. Een ander belangrijk kwantumeffect dat kan worden benut door coherente fotonen te hebben, hij zegt, is verstrikking, waarin twee fotonen zich in wezen gedragen alsof ze één zijn, al hun eigendommen delen.

Eerdere chemisch gemaakte colloïdale kwantumdotmaterialen hadden onpraktisch korte coherentietijden, maar dit team ontdekte dat het maken van de kwantumstippen van perovskieten, een familie van materialen gedefinieerd door hun kristalstructuur, produceerde coherentieniveaus die meer dan duizend keer beter waren dan eerdere versies. De coherentie-eigenschappen van deze colloïdale perovskiet-kwantumdots naderen nu het niveau van gevestigde emitters, zoals atoomachtige defecten in diamant of kwantumstippen die door natuurkundigen zijn gegroeid met behulp van gasfasebundelepitaxie.

Een van de grote voordelen van perovskieten, ze vonden, was dat ze heel snel fotonen uitzenden nadat ze waren gestimuleerd door een laserstraal. Deze hoge snelheid zou een cruciale eigenschap kunnen zijn voor potentiële kwantumcomputertoepassingen. Ze hebben ook heel weinig interactie met hun omgeving, hun coherentie-eigenschappen en stabiliteit aanzienlijk verbeteren.

Dergelijke coherente fotonen kunnen ook worden gebruikt voor kwantumversleutelde communicatietoepassingen, zegt Bawendi. Een bepaald soort verstrikking, polarisatieverstrengeling genoemd, kan de basis vormen voor veilige kwantumcommunicatie die pogingen tot onderschepping trotseert.

Nu het team deze veelbelovende eigenschappen heeft gevonden, de volgende stap is om te werken aan het optimaliseren en verbeteren van hun prestaties om ze schaalbaar en praktisch te maken. Voor een ding, ze moeten 100 procent ononderscheidbaarheid bereiken in de geproduceerde fotonen. Tot dusver, ze hebben 20 procent bereikt, "wat al heel opmerkelijk is, "Utzat zegt, al vergelijkbaar met de samenhangen die door andere materialen worden bereikt, zoals atoomachtige fluorescerende defecten in diamant, die reeds gevestigde systemen zijn en waaraan veel langer is gewerkt.

"Perovskiet-kwantumdots hebben nog een lange weg te gaan voordat ze toepasbaar worden in echte toepassingen, " hij zegt, "maar dit is een nieuw materiaalsysteem dat beschikbaar is voor kwantumfotonica dat nu kan worden geoptimaliseerd en mogelijk geïntegreerd met apparaten."

Het is een nieuw fenomeen en het zal veel werk vergen om het tot een praktisch niveau te ontwikkelen, zeggen de onderzoekers. "Onze studie is zeer fundamenteel, ' merkt Bawendi op. 'Echter, het is een grote stap in de richting van het ontwikkelen van een nieuw materiaalplatform dat veelbelovend is."