I den globala strävan att utveckla praktiska dator- och kommunikationsenheter baserade på principerna för kvantfysik, en potentiellt användbar komponent har visat sig svårfångad:en källa av individuella ljuspartiklar med perfekt konstant, förutsägbar, och stabila egenskaper. Nu, forskare vid MIT och i Schweiz säger att de har tagit stora steg mot en sådan enskild fotonkälla.

Studien, som innebär att man använder en familj av material som kallas perovskiter för att göra ljusemitterande partiklar som kallas kvantprickar, finns idag i journalen Vetenskap . Uppsatsen är av MIT doktorand i kemi Hendrik Utzat, professor i kemi Moungi Bawendi, och nio andra vid MIT och vid ETH i Zürich, Schweiz.

Förmågan att producera individuella fotoner med exakt kända och beständiga egenskaper, inklusive en våglängd, eller färg, som inte fluktuerar alls, kan vara användbar för många typer av föreslagna kvantenheter. Eftersom varje foton skulle vara omöjlig att skilja från de andra när det gäller dess kvantmekaniska egenskaper, det kan vara möjligt, till exempel, att fördröja en av dem och sedan få paret att interagera med varandra, i ett fenomen som kallas interferens.

"Denna kvantinterferens mellan olika oskiljbara enskilda fotoner är grunden för många optiska kvantinformationsteknologier som använder enstaka fotoner som informationsbärare, " Utzat förklarar. "Men det fungerar bara om fotonerna är koherenta, vilket innebär att de bevarar sina kvanttillstånd under tillräckligt lång tid."

Många forskare har försökt ta fram källor som kan sända ut sådana sammanhängande enstaka fotoner, men alla har haft begränsningar. Slumpmässiga fluktuationer i materialen som omger dessa sändare tenderar att förändra fotonernas egenskaper på oförutsägbara sätt, förstöra deras sammanhållning. Att hitta emittermaterial som bibehåller koherens och som också är ljusa och stabila är "fundamentalt utmanande, " säger Utzat. Det beror på att inte bara omgivningen utan även materialen själva "i huvudsak ger ett fluktuerande bad som slumpmässigt interagerar med det elektroniskt exciterade kvanttillståndet och tvättar bort koherensen, " han säger.

"Utan att ha en källa till sammanhängande enstaka fotoner, du kan inte använda någon av dessa kvanteffekter som är grunden för optisk kvantinformationsmanipulation, säger Bawendi, som är Lester Wolfe professor i kemi. En annan viktig kvanteffekt som kan utnyttjas genom att ha koherenta fotoner, han säger, är förveckling, där två fotoner i huvudsak beter sig som om de vore en, dela alla sina fastigheter.

Tidigare kemiskt tillverkade kolloidala kvantprickmaterial hade opraktiskt korta koherenstider, men detta team fann att att göra kvantprickarna från perovskiter, en familj av material som definieras av deras kristallstruktur, producerade koherensnivåer som var mer än tusen gånger bättre än tidigare versioner. Koherensegenskaperna hos dessa kolloidala perovskitkvantprickar närmar sig nu nivåerna för etablerade utsändare, såsom atomliknande defekter i diamant eller kvantprickar odlade av fysiker som använder gasfasstråleepitaxi.

En av de stora fördelarna med perovskites, de hittade, var att de sänder ut fotoner mycket snabbt efter att ha stimulerats av en laserstråle. Denna höga hastighet kan vara en avgörande egenskap för potentiella kvantberäkningstillämpningar. De har också väldigt lite interaktion med sin omgivning, avsevärt förbättra deras koherensegenskaper och stabilitet.

Sådana koherenta fotoner kan också användas för kvantkrypterade kommunikationstillämpningar, säger Bawendi. En speciell typ av förveckling, kallad polarisationsförveckling, kan vara grunden för säker kvantkommunikation som trotsar försök till avlyssning.

Nu när teamet har hittat dessa lovande egenskaper, nästa steg är att arbeta med att optimera och förbättra deras prestanda för att göra dem skalbara och praktiska. För en sak, de måste uppnå 100 procent omöjlighet att urskilja de fotoner som produceras. Än så länge, de har nått 20 procent, "vilket redan är mycket anmärkningsvärt, " Utzat säger, redan jämförbara med de koherenser som andra material uppnår, såsom atomliknande fluorescerande defekter i diamant, som redan är etablerade system och som har arbetats med mycket längre.

"Perovskite kvantprickar har fortfarande en lång väg kvar tills de blir tillämpliga i verkliga tillämpningar, " han säger, "men det här är ett nytt materialsystem tillgängligt för kvantfotonik som nu kan optimeras och potentiellt integreras med enheter."

Det är ett nytt fenomen och kommer att kräva mycket arbete för att utvecklas till en praktisk nivå, säger forskarna. "Vår studie är mycket grundläggande, " konstaterar Bawendi. "Men, det är ett stort steg mot att utveckla en ny materialplattform som är lovande."