Вчені розробляють нове джерело квантового світла

Використовуючи нові матеріали, які широко вивчалися як потенційні нові сонячні фотоелектричні пристрої, дослідники з Массачусетського технологічного інституту показали, що наночастинки цих матеріалів можуть випромінювати потік одиночних ідентичних фотонів.

Хоча ця робота наразі є фундаментальним відкриттям можливостей цих матеріалів, зрештою вона може прокласти шлях до нових оптичних квантових комп’ютерів, а також можливих пристроїв квантової телепортації для зв’язку, кажуть дослідники. Результати були опубліковані 22 червня в журналі Nature Photonics у статті аспіранта Олександра Каплана, професора хімії Мунгі Бавенді та шести інших в MIT.

Більшість концепцій квантових обчислень використовують ультрахолодні атоми або спіни окремих електронів, які діють як квантові біти або кубіти, які складають основу таких пристроїв. Але близько двох десятиліть тому деякі дослідники запропонували ідею використання світла замість фізичних об’єктів як основних кубітів. Серед інших переваг це усуне потребу в складному та дорогому обладнанні для контролю кубітів і введення та вилучення даних з них. Замість цього були б потрібні звичайні дзеркала та оптичні детектори.

«З цими кубітоподібними фотонами, — пояснює Каплан, — за допомогою лише «домашньої» лінійної оптики ви можете побудувати квантовий комп’ютер, за умови, що у вас є відповідним чином підготовлені фотони».

Підготовка цих фотонів є ключовою річчю. Кожен фотон має точно відповідати квантовим характеристикам попереднього, і так далі. Щойно ця ідеальна відповідність досягнута, «справді велика зміна парадигми змінюється від потреби в дуже модній оптиці, дуже модному обладнанні до потреби просто в простому обладнанні. Що має бути особливим, так це саме світло».

Потім, пояснює Бавенді, вони беруть ці окремі фотони, які є ідентичними та невідрізними один від одного, і взаємодіють між собою. Ця нерозрізненість має вирішальне значення: якщо у вас є два фотони, і «в них все однаково, і ви не можете сказати номер один і номер два, ви не можете відстежувати їх таким чином. Саме це дозволяє їм взаємодіяти в певні способи, які є некласичними».

Каплан каже, що «якщо ми хочемо, щоб фотон мав цю дуже конкретну властивість, бути дуже чітко визначеними в енергії, поляризації, просторовому режимі, часі, усім тим, що ми можемо закодувати квантово-механічним способом, нам потрібно, щоб джерело було дуже також чітко визначені квантовомеханічні».

Джерелом, який вони в кінцевому підсумку використали, є форма свинцево-галітових наночастинок перовскіту. Тонкі плівки галогенідних перовскітів свинцю широко розглядаються як потенційні фотоелектричні пристрої наступного покоління, серед іншого, тому що вони можуть бути набагато легшими та легшими для обробки, ніж сьогоднішні стандартні фотоелектричні пристрої на основі кремнію. У формі наночастинок свинцево-галогенідні перовскіти відрізняються своєю надзвичайно високою швидкістю кріогенного випромінювання, що відрізняє їх від інших колоїдних напівпровідникових наночастинок. Чим швидше випромінюється світло, тим більш імовірно, що результат матиме чітку хвильову функцію. Таким чином, високі швидкості випромінювання дозволяють наночастинкам перовскіту галогеніду свинцю випромінювати квантове світло.

Щоб перевірити, чи фотони, які вони генерують, справді мають цю невідмітну властивість, стандартним тестом є виявлення певного типу інтерференції між двома фотонами, відомої як інтерференція Хонг-Оу-Манделя. Каплан каже, що це явище є ключовим для багатьох квантових технологій, і тому демонстрація його присутності «була ознакою підтвердження того, що джерело фотонів можна використовувати для цих цілей».

За його словами, дуже мало матеріалів можуть випромінювати світло, яке відповідає цьому тесту. «Їх майже можна перерахувати по одній руці». Хоча їх нове джерело ще не ідеальне, створюючи перешкоди HOM лише приблизно в половині випадків, інші джерела мають значні проблеми з досягненням масштабованості. «Причина, чому інші джерела когерентні, полягає в тому, що вони зроблені з найчистіших матеріалів, і вони виготовляються окремо один за одним, атом за атомом. Отже, масштабування та відтворюваність дуже погані», — каже Каплан.

Навпаки, наночастинки перовскіту виготовляються в розчині та просто наносяться на матеріал підкладки. «По суті, ми просто обертаємо їх на поверхні, у цьому випадку просто на звичайній скляній поверхні», — каже Каплан. «І ми бачимо, як вони зазнають такої поведінки, яка раніше спостерігалася лише за найсуворіших умов підготовки».

Отже, хоча ці матеріали ще не ідеальні, «Вони дуже масштабовані, ми можемо їх виготовити багато. І наразі вони дуже неоптимізовані. Ми можемо інтегрувати їх у пристрої та далі вдосконалювати», Каплан каже. На даному етапі, за його словами, ця робота є «дуже цікавим фундаментальним відкриттям», яке демонструє можливості цих матеріалів. «Важливість роботи полягає в тому, що, сподіваюся, вона може заохотити людей шукати способи подальшого покращення їх у різних архітектурах пристроїв». Джерело