在開發(fā)基于量子物理原理的實(shí)用計(jì)算和通信設(shè)備的全球探索中，一個(gè)潛在有用的組件被證明是難以捉摸的：一個(gè)具有完全恒定、可預(yù)測和穩(wěn)定特性的單個(gè)光粒子源?，F(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(xiàng)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(diǎn)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(gè)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?yàn)槊總€(gè)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(gè)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?dāng)光子是相干的，這意味著它們可以在足夠長的時(shí)間內(nèi)保持它們的量子狀態(tài)時(shí)，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(jī)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?yàn)椴粌H環(huán)境，而且材料本身“基本上提供了一個(gè)波動的浴池，它隨機(jī)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(gè)重要量子效應(yīng)是糾纏，在糾纏中，兩個(gè)光子基本上共享它們的所有屬性，就像它們是一個(gè)一樣。
過去制作的膠體量子點(diǎn)材料的相干時(shí)間很短，但研究小組發(fā)現(xiàn)，由鈣鈦礦制成的量子點(diǎn)，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(gè)版本好1000多倍。這些膠體鈣鈦礦量子點(diǎn)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(diǎn)中的原子缺陷。
他們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是在受到激光束的刺激后可以非常快地發(fā)射光子。這種高速可能是潛在量子計(jì)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(tuán)隊(duì)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(kuò)展性和實(shí)用性。首先，它們需要在產(chǎn)生的光子中實(shí)現(xiàn)100%的不可分辨性。到目前為止，他們已經(jīng)達(dá)到了20%?！斑@非常了不起，”烏特扎特說，其他材料實(shí)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(diǎn)在應(yīng)用于實(shí)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(jìn)行優(yōu)化，并可能與器件集成?！?
研究人員表示，這是一個(gè)新現(xiàn)象，需要大量的工作才能發(fā)展到實(shí)際水平。巴文迪指出：“我們的研究非常基礎(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(xiàng)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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