Νέα πηγή κβαντικού φωτός από το MIT

Καινοτόμα υλικά και κβαντική τεχνολογία

Ερευνητές στο MIT ανέπτυξαν μια νέα πηγή κβαντικού φωτός χρησιμοποιώντας καινοτόμα υλικά που έχουν μελετηθεί ευρέως ως πιθανές νέες ηλιακές φωτοβολταϊκές λύσεις. Οι νανοσωματίδια αυτών των υλικών μπορούν να εκπέμπουν μια ροή από μοναδικά, πανομοιότυπα φωτόνια. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη νέων οπτικών κβαντικών υπολογιστών και πιθανών συσκευών κβαντικής τηλεμεταφοράς για επικοινωνία.

Η σημασία της κβαντικής οπτικής

Η εργασία αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Photonics, αποτελεί ένα θεμελιώδες βήμα για την κατανόηση των δυνατοτήτων αυτών των υλικών. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Alexander Kaplan και ο καθηγητής χημείας Moungi Bawendi, μαζί με την ερευνητική τους ομάδα, εξετάζουν πώς αυτά τα φωτόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κβαντικά bits ή qubits, τα οποία αποτελούν τη βάση των κβαντικών υπολογιστών.

Φωτόνια ως qubits

Συνήθως, οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε υπερψυχρά άτομα ή τις σπινές μεμονωμένων ηλεκτρονίων για να λειτουργήσουν ως qubits. Ωστόσο, πριν από περίπου δύο δεκαετίες, προτάθηκε η ιδέα της χρήσης του φωτός αντί για φυσικά αντικείμενα ως βασικές μονάδες qubit. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη για πολύπλοκο και δαπανηρό εξοπλισμό, καθώς απλές καθρέπτες και οπτικοί ανιχνευτές θα ήταν αρκετοί.

Η προετοιμασία των φωτονίων

Η προετοιμασία των φωτονίων είναι κρίσιμη. Κάθε φωτόνιο πρέπει να ταιριάζει ακριβώς με τα κβαντικά χαρακτηριστικά του προηγούμενου. Μόλις επιτευχθεί αυτή η τέλεια αντιστοίχιση, η πραγματική αλλαγή παραδείγματος είναι η μετάβαση από την ανάγκη για πολύπλοκα οπτικά συστήματα σε απλό εξοπλισμό. Το μόνο που χρειάζεται να είναι ειδικό είναι το ίδιο το φως.

Η χρήση νανοσωματιδίων περοβσκίτη

Η πηγή που χρησιμοποιήθηκε είναι μια μορφή νανοσωματιδίων περοβσκίτη με βάση το μόλυβδο. Οι λεπτές μεμβράνες αυτών των υλικών προσελκύουν το ενδιαφέρον ως επόμενης γενιάς φωτοβολταϊκά, καθώς είναι ελαφρύτερες και πιο εύκολες στην επεξεργασία από τα σημερινά φωτοβολταϊκά με βάση το πυρίτιο. Σε μορφή νανοσωματιδίων, αυτά τα υλικά ξεχωρίζουν για την ταχύτατη εκπομπή φωτός σε χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι που τα καθιστά ιδανικά για την εκπομπή κβαντικού φωτός.

Δοκιμές και προκλήσεις

Για να επιβεβαιωθεί η ιδιότητα της αδιακρισίας των φωτονίων, πραγματοποιήθηκε η δοκιμή Hong-Ou-Mandel, που είναι κεντρική σε πολλές κβαντικές τεχνολογίες. Πολύ λίγα υλικά μπορούν να εκπέμψουν φως που να πληροί αυτό το κριτήριο. Παρόλο που η νέα πηγή δεν είναι ακόμα τέλεια, καθώς παράγει την επιθυμητή παρέμβαση μόνο το μισό χρόνο, προσφέρει καλύτερες προοπτικές για κλιμάκωση σε σχέση με άλλες πηγές.

Προοπτικές και μελλοντικές εφαρμογές

Τα νανοσωματίδια περοβσκίτη κατασκευάζονται σε διάλυμα και απλώς εναποτίθενται σε υλικό υποστρώματος. Αυτό τα καθιστά εξαιρετικά κλιμακώσιμα και εύκολα στην ενσωμάτωση σε συσκευές. Παρά το γεγονός ότι δεν είναι ακόμα βελτιστοποιημένα, η δυνατότητα ενσωμάτωσής τους σε οπτικές κοιλότητες μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητές τους στο επίπεδο των ανταγωνιστικών λύσεων.

Η ερευνητική ομάδα περιλαμβάνει επίσης τους Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky και Hendrik Utzat, με υποστήριξη από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Συμβούλιο Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά.