Kvantberäkning och kvantkryptografi förväntas ge mycket högre kapacitet än sina klassiska motsvarigheter. Till exempel, beräkningseffekten i ett kvantsystem kan växa med en dubbel exponentiell hastighet istället för en klassisk linjär hastighet på grund av grundenhetens olika karaktär, qubit (kvantbit). Intrasslade partiklar möjliggör de okrossbara koder för säker kommunikation. Betydelsen av denna teknik motiverade den amerikanska regeringen att lagstifta National Quantum Initiative Act, som godkänner 1,2 miljarder dollar under de följande fem åren för att utveckla kvantinformationsvetenskap.

Enstaka fotoner kan vara en viktig qubit -källa för dessa applikationer. För att uppnå praktisk användning, de enda fotonerna bör vara i telekomvåglängderna, som sträcker sig från 1, 260-1, 675 nanometer, och enheten ska fungera vid rumstemperatur. Hittills, endast en enda fluorescerande kvantdefekt i kolnanorör har båda funktionerna samtidigt. Dock, det exakta skapandet av dessa enskilda defekter har försvårats av beredningsmetoder som kräver speciella reaktanter, är svåra att kontrollera, gå långsamt, generera icke-emissiva defekter, eller är utmanande att skala.

Nu, forskning från Angela Belcher, chef för MIT -avdelningen för biologisk teknik, Koch Institute -medlem, och James Crafts professor i biologisk teknik, och postdoc Ching-Wei Lin, publicerad online i Naturkommunikation , beskriver en enkel lösning för att skapa kol-nanorörbaserade enkelfotonsändare, som är kända som fluorescerande kvantdefekter.

"Vi kan nu snabbt syntetisera dessa fluorescerande kvantdefekter inom en minut, helt enkelt använda hushållsblekmedel och ljus, "Säger Lin." Och vi kan enkelt producera dem i stor skala. "

Belchers labb har visat denna otroligt enkla metod med minimala icke-fluorescerande defekter som genereras. Kolnanorör nedsänktes i blekmedel och bestrålades sedan med ultraviolett ljus i mindre än en minut för att skapa de fluorescerande kvantdefekterna.

Tillgängligheten av fluorescerande kvantdefekter från denna metod har kraftigt minskat hindret för att översätta grundläggande studier till praktiska tillämpningar. Under tiden, nanorören blir ännu ljusare efter skapandet av dessa fluorescerande defekter. Dessutom, excitation/emission av dessa defekta kolnanorör flyttas till det så kallade kortvågiga infraröda området (900-1, 600 nm), vilket är ett osynligt optiskt fönster som har något längre våglängder än det vanliga nära-infraröda. Vad mer, operationer vid längre våglängder med ljusare defektavgivare gör att forskare kan se igenom vävnaden tydligare och djupare för optisk avbildning. Som ett resultat, de defekta kolnanorörbaserade optiska sonderna (vanligtvis för att konjugera målmaterialen till dessa defekta kolnanorör) kommer att förbättra bildprestandan avsevärt, möjliggör upptäckt och behandling av cancer, såsom tidig upptäckt och bildstyrd kirurgi.

Cancer var den näst ledande dödsorsaken i USA 2017. Extrapolerade, detta kommer ut till runt 500, 000 människor som dör av cancer varje år. Målet i Belcher Lab är att utveckla mycket ljusa sonder som fungerar vid det optimala optiska fönstret för att titta på mycket små tumörer, främst på äggstocks- och hjärncancer. Om läkare kan upptäcka sjukdomen tidigare, överlevnadsgraden kan ökas avsevärt, Enligt statistiken. Och nu kan den nya ljusa fluorescerande kvantdefekten vara det rätta verktyget för att uppgradera de nuvarande bildsystemen, tittar på ännu mindre tumörer genom defektemissionen.

"Vi har visat en tydlig visualisering av kärlstruktur och lymfatiska system med 150 gånger mindre mängd prober jämfört med tidigare generation av bildsystem, "Säger Belcher, "Detta indikerar att vi har gått ett steg framåt närmare tidig upptäckt av cancer."

I samarbete med bidragsgivare från Rice University, forskare kan för första gången identifiera fördelningen av kvantdefekter i kolnanorör med hjälp av en ny spektroskopimetod som kallas variansspektroskopi. Denna metod hjälpte forskarna att övervaka kvaliteten på kvantdefekten innehållande kolnanorör och hitta de rätta syntetiska parametrarna lättare.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.