Forscher prosperieren eine neue Quantenlichtquelle
von David L. Chandler zu Händen MIT News
Boston MA (SPX) 23. Juno 2023
Mithilfe neuartiger Materialien, die umfassend denn potenzielle neue Solarphotovoltaik untersucht wurden, nach sich ziehen Forscher am MIT gezeigt, dass Nanopartikel dieser Materialien kombinieren Strom einzelner, identischer Photonen emittieren können.
Während die Arbeit derzeit eine grundlegende Kenntniserlangung welcher Fähigkeiten dieser Materialien darstellt, könnte sie letztendlich den Weg zu Händen neue optisch basierte Quantencomputer sowie mögliche Quantenteleportationsgeräte zu Händen die Kommunikation ebnen, sagen die Forscher. Die Ergebnisse erscheinen in welcher Zeitschrift Nature Photonics in einem Einschränkung des Doktoranden Alexander Vikar, des Chemieprofessors Moungi Bawendi und sechs weiterer Personen am MIT.
Die meisten Konzepte zu Händen Quantencomputer nutzen ultrakalte Atome oder die Spins einzelner Elektronen denn Quantenbits oder Qubits, die die Lager solcher Geräte zusammenbauen. Doch vor etwa zwei Jahrzehnten schlugen manche Forscher die Idee vor, Licht anstelle von physischen Objekten denn grundlegende Qubit-Einheiten zu verwenden. Dies würde unter anderem den Gier an komplexer und teurer Ausrüstung zur Steuerung welcher Qubits sowie zur Input und Extraktion von Datenansammlung aus ihnen reinigen. Stattdessen wären lediglich gewöhnliche Spiegel und optische Detektoren erforderlich.
„Mit diesen Qubit-ähnlichen Photonen“, erklärt Vikar, „kann man mit nur ‚haushaltsüblicher‘ linearer Optik kombinieren Quantencomputer zusammensetzen, vorausgesetzt, man verfügt weiterführend hinsichtlich vorbereitete Photonen.“
Die Zubereitung dieser Photonen ist welcher Schlüssel. Jedes Photon muss genau den Quanteneigenschaften des vorherigen gleichkommen und so weiter. Sowie sie perfekte Kür erreicht ist, „besteht welcher wirklich große Paradigmenwechsel darin, von welcher Notwendigkeit einer sehr ausgefallenen Optik und einer sehr ausgefallenen Ausrüstung hin zur Notwendigkeit einer einfachen Ausrüstung zu wechseln. Welches Seltenheitswert haben sein muss, ist dasjenige Licht selbst.“
Dann, erklärt Bawendi, nehmen sie sie einzelnen Photonen, die inhaltsgleich und nicht voneinander zu unterscheiden sind, und interagieren sie miteinander. Selbige Ununterscheidbarkeit ist entscheidend: Wenn man zwei Photonen hat und „die Gesamtheit an ihnen gleich ist und man nicht Nummer eins und Nummer zwei sagen kann, kann man sie uff sie Weise nicht im Ophthalmos behalten. Dasjenige ist es, welches ihnen die Wechselbeziehung ermöglicht.“ bestimmte Wege, die nicht mustergültig sind.
Vikar sagt: „Wenn wir wollen, dass dasjenige Photon sie sehr spezifische Gegebenheit hat, sehr genau definiert zu sein in Bezug uff Leistung, Polarisation, Raummodus, Zeit und all die Gedöns, die wir quantenmechanisch kodieren können, zu tun sein wir eine sehr genaue Quelle nach sich ziehen.“ nicht zuletzt quantenmechanisch wohldefiniert.
Die Quelle, die sie letztendlich verwendeten, war eine Form von Pb-Halit-Perowskit-Nanopartikeln. Dünne Filme aus Bleihalogenid-Perowskiten werden weithin denn potenzielle Photovoltaik welcher nächsten Generation angestrebt, unter anderem weil sie viel leichter und einfacher zu verarbeiten sein könnten denn die heutige Standard-Photovoltaik uff Siliziumbasis.
In Nanopartikelform zeichnen sich Bleihalogenid-Perowskite durch ihre unglaublich hohe kryogene Strahlungsrate aus, die sie von anderen kolloidalen Halbleiter-Nanopartikeln unterscheidet. Je schneller dasjenige Licht emittiert wird, umso wahrscheinlicher ist es, dass die Herausgabe eine wohldefinierte Wellenfunktion aufweist. Die hohen Strahlungsraten positionieren Bleihalogenid-Perowskit-Nanopartikel somit in einzigartiger Weise zu Händen die Emission von Quantenlicht.
Um zu testen, ob die von ihnen erzeugten Photonen tatsächlich sie nicht unterscheidbare Gegebenheit nach sich ziehen, besteht ein Standardtest darin, eine bestimmte Spezies von Interferenz zwischen zwei Photonen zu wiedererkennen, die denn Hong-Ou-Mandel-Interferenz familiär ist. Dieses Phänomen sei zu Händen viele quantenbasierte Technologien von zentraler Wert, sagt Vikar, und von dort sei welcher Nachweis seiner Präsenz „ein Merkmal dazu gewesen, zu ratifizieren, dass eine Photonenquelle zu Händen sie Zwecke verwendet werden kann“.
Nur sehr wenige Materialien können Licht aussenden, dasjenige diesen Test besteht, sagt er. „Sie können so ziemlich uff einer Seite aufgelistet werden.“ Während ihre neue Quelle noch nicht perfekt ist und die HOM-Interferenz nur etwa in welcher Hälfte welcher Zeit erzeugt, nach sich ziehen die anderen Quellen erhebliche Probleme mit welcher Skalierbarkeit. „Welcher Grund zu Händen die Kontext anderer Quellen liegt darin, dass sie aus den reinsten Materialien hergestellt werden und einzeln, einzeln, Atom zu Händen Atom, hergestellt werden. Von dort gibt es eine sehr schlechte Skalierbarkeit und eine sehr schlechte Wiederholbarkeit“, sagt Vikar.
Im Kontrast dazu werden die Perowskit-Nanopartikel in einer Problembeseitigung hergestellt und reibungslos uff einem Substratmaterial menschenleer. „Wir schmeißen sie im Grunde reibungslos uff eine Oberfläche, in diesem Kernpunkt nur eine normale Glasoberfläche“, sagt Vikar. „Und wir sehen, dass sie ein Verhalten an den Tag legen, dasjenige zuvor nur unter strengsten Vorbereitungsbedingungen beobachtet wurde.“
Nachrangig wenn sie Materialien vielleicht noch nicht perfekt sind: „Sie sind sehr skalierbar, wir können viele davon herstellen. Und sie sind derzeit noch sehr unoptimiert. Wir können sie in Geräte integrieren und wir können sie weiter verbessern.“ Vikar sagt.
Zum jetzigen Zeitpunkt sei sie Arbeit „eine sehr interessante grundlegende Kenntniserlangung“, die die Wirksamkeit dieser Materialien zeige. „Die Wert welcher Arbeit besteht darin, dass sie hoffentlich Menschen dazu begeistern kann, darüber nachzudenken, wie sie in verschiedenen Gerätearchitekturen weiter verbessert werden können.“
Und Bawendi fügt hinzu: „Durch die Integration dieser Zeichengeber in reflektierende Systeme, sogenannte optische Hohlräume, wie dies schon zusammen mit den anderen Quellen geschehen ist, „nach sich ziehen wir volles Vertrauen, dass die Integration in kombinieren optischen Hohlraum ihre Eigenschaften uff dasjenige Niveau welcher Wettstreit können wird.“ „
Zum Forschungsteam gehörten Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky und Hendrik Utzat. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.
Forschungsbericht: „Hong-Ou-Mandel-Interferenz in kolloidalen CsPbBr3-Perowskit-Nanokristallen“
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MIT-Division zu Händen Chemie
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