Quantum computing en kwantumcryptografie zullen naar verwachting veel hogere mogelijkheden bieden dan hun klassieke tegenhangers. Bijvoorbeeld, de rekenkracht in een kwantumsysteem kan groeien met een dubbele exponentiële snelheid in plaats van een klassieke lineaire snelheid vanwege de verschillende aard van de basiseenheid, de qubit (kwantumbit). Verstrengelde deeltjes maken de onbreekbare codes mogelijk voor veilige communicatie. Het belang van deze technologieën motiveerde de Amerikaanse regering om de National Quantum Initiative Act vast te stellen, die de komende vijf jaar $ 1,2 miljard autoriseert voor de ontwikkeling van kwantuminformatiewetenschap.

Enkele fotonen kunnen voor deze toepassingen een essentiële qubitbron zijn. Om praktisch gebruik te bereiken, de enkele fotonen moeten zich in de telecomgolflengten bevinden, die variëren van 1, 260-1, 675 nanometer, en het apparaat moet functioneel zijn bij kamertemperatuur. Daten, slechts een enkel fluorescerend kwantumdefect in koolstofnanobuizen bezit beide functies tegelijkertijd. Echter, de precieze creatie van deze enkele defecten werd belemmerd door bereidingsmethoden die speciale reactanten vereisen, zijn moeilijk te controleren, ga langzaam verder, niet-emissieve defecten genereren, of zijn uitdagend op schaal.

Nutsvoorzieningen, onderzoek van Angela Belcher, hoofd van de afdeling Biologische Technologie van het MIT, Koch Instituut lid, en de James Crafts hoogleraar biologische technologie, en postdoc Ching-Wei Lin, online gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijft een eenvoudige oplossing om op koolstof-nanobuis gebaseerde single-photon emitters te maken, die bekend staan ​​als fluorescerende kwantumdefecten.

"We kunnen deze fluorescerende kwantumdefecten nu snel binnen een minuut synthetiseren, gewoon met huishoudbleekmiddel en licht, " zegt Lin. "En we kunnen ze gemakkelijk op grote schaal produceren."

Het laboratorium van Belcher heeft deze verbazingwekkend eenvoudige methode aangetoond met minimale niet-fluorescerende defecten. Koolstofnanobuisjes werden ondergedompeld in bleekmiddel en vervolgens minder dan een minuut bestraald met ultraviolet licht om de fluorescerende kwantumdefecten te creëren.

De beschikbaarheid van fluorescerende kwantumdefecten van deze methode heeft de barrière voor het vertalen van fundamentele studies naar praktische toepassingen sterk verminderd. In de tussentijd, de nanobuisjes worden nog helderder na het ontstaan ​​van deze fluorescerende defecten. In aanvulling, de excitatie/emissie van deze defecte koolstofnanobuisjes wordt verschoven naar het zogenaamde kortegolf-infraroodgebied (900-1, 600nm), dat is een onzichtbaar optisch venster met iets langere golflengten dan het gewone nabij-infrarood. Bovendien, operaties bij langere golflengten met helderdere defectemitters stellen onderzoekers in staat om duidelijker en dieper door het weefsel te kijken voor optische beeldvorming. Als resultaat, de defecte op koolstof nanobuisjes gebaseerde optische sondes (meestal om de richtmaterialen te conjugeren aan deze defecte koolstofnanobuisjes) zullen de beeldprestaties aanzienlijk verbeteren, kankerdetectie en behandelingen zoals vroege detectie en beeldgestuurde chirurgie mogelijk te maken.

Kankers waren in 2017 de op één na belangrijkste doodsoorzaak in de Verenigde Staten. dit komt uit op ongeveer 500, Jaarlijks sterven er duizend mensen aan kanker. Het doel in het Belcher Lab is om zeer heldere sondes te ontwikkelen die werken bij het optimale optische venster om naar zeer kleine tumoren te kijken, voornamelijk op eierstok- en hersenkanker. Als artsen de ziekte eerder kunnen detecteren, het overlevingspercentage kan aanzienlijk worden verhoogd, volgens statistieken. En nu kan het nieuwe heldere fluorescerende kwantumdefect het juiste hulpmiddel zijn om de huidige beeldvormingssystemen te upgraden. kijken naar nog kleinere tumoren door de defectemissie.

"We hebben een duidelijke visualisatie van de vasculatuurstructuur en lymfatische systemen aangetoond met 150 keer minder sondes in vergelijking met de vorige generatie beeldvormingssystemen, "Belcher zegt, "Dit geeft aan dat we een stap voorwaarts hebben gezet, dichter bij de vroege opsporing van kanker."

In samenwerking met medewerkers van Rice University, onderzoekers kunnen voor het eerst de verdeling van kwantumdefecten in koolstofnanobuisjes identificeren met behulp van een nieuwe spectroscopiemethode die variantiespectroscopie wordt genoemd. Deze methode hielp de onderzoekers om de kwaliteit van het kwantumdefect met koolstofnanobuisjes te bewaken en de juiste synthetische parameters gemakkelijker te vinden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.