量子点可以吐出类似克隆的光子

在开发基于量子物理原理的实用计算和通信设备的全球探索中，一个潜在有用的组件被证明是难以捉摸的：一个具有完全恒定、可预测和稳定特性的单个光粒子源。现在，来自麻省理工学院和瑞士的研究人员表示，他们已经朝着这种光子源迈出了重要的一步。

这项研究包括使用一系列被称为钙钛矿的材料来制造被称为量子点的发光颗粒，该研究发表在今天的《科学》杂志上。这篇论文是由麻省理工学院化学系的亨德里克乌扎特、化学教授穆恩吉巴文迪以及来自麻省理工学院和瑞士苏黎世的另外九名ETH研究生完成的。

产生具有精确已知和持久特性(包括波长或颜色)的单个光子的能力完全不会波动，并且可能对许多提议的量子设备有用。因为每个光子在量子力学性质上无法与其他光子区分开来，比如一个光子可以被延迟，然后这对光子可以相互作用，这就是所谓的干涉。

乌特扎特解释说：“不同不可区分的单光子之间的量子干涉是许多使用单光子作为信息载体的光学量子信息技术的基础。“但只有当光子是相干的，这意味着它们可以在足够长的时间内保持它们的量子状态时，它才有效。”

许多研究人员试图制造一种可以发射这种相干单光子的光源，但都有局限性。这些发射器周围材料的随机波动通常会以不可预测的方式改变光子的属性，从而破坏它们的相干性。Utzat说，寻找一致且明亮稳定的发光材料是“根本性的挑战”。这是因为不仅环境，而且材料本身“基本上提供了一个波动的浴池，它随机地与电子激发的量子态相互作用，并消除了相干性，”他说。

莱斯特沃尔夫(Lester Wolfe)的化学教授巴文迪(Bawendi)说：“如果没有相干单光子源，就无法将这些量子效应中的任何一种用作光学量子信息处理的基础。他说，相干光子可以利用的另一个重要量子效应是纠缠，在纠缠中，两个光子基本上共享它们的所有属性，就像它们是一个一样。

过去制作的胶体量子点材料的相干时间很短，但研究小组发现，由钙钛矿制成的量子点，这是一系列由晶体结构定义的材料，产生的相干水平比前一个版本好1000多倍。这些胶体钙钛矿量子点的相干特性现在已经接近已建立的发射体水平，例如物理学家使用蒸汽束外延生长的金刚石或量子点中的原子缺陷。

他们发现钙钛矿的一个很大的优点是在受到激光束的刺激后可以非常快地发射光子。这种高速可能是潜在量子计算应用的关键特征。它们与周围环境的互动很少，这大大提高了它们的连贯性和稳定性。

巴文迪说，这种相干光子也可以用于量子加密通信应用。一种特殊的纠缠，称为偏振纠缠，可以作为安全量子通信的基础，不能阻止拦截。

既然团队已经找到了这些有前途的特性，下一步就是优化和提高它们的性能，使它们具有可扩展性和实用性。首先，它们需要在产生的光子中实现100%的不可分辨性。到目前为止，他们已经达到了20%。“这非常了不起，”乌特扎特说，其他材料实现的相干性可以相提并论，比如钻石中的原子荧光缺陷。这些已经建立的系统已经被研究了越来越久。

他说：“钙钛矿量子点在应用于实际应用之前，还有很长的路要走。“但这是一种可以用于量子光子学的新材料体系，现在可以进行优化，并可能与器件集成。”

研究人员表示，这是一个新现象，需要大量的工作才能发展到实际水平。巴文迪指出：“我们的研究非常基础。“然而，这是朝着开发有前途的新材料平台迈出的一大步。”

这项工作得到了美国能源部、国家科学基金会和瑞士联邦技术和创新委员会的支持。

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