Kuantum teknolojileri mükemmellik gerektirir: her seferinde bir foton, her seferinde, hepsi aynı enerjiye sahip. Fotonların sayısındaki veya enerjisindeki küçük sapmalar bile cihazları rayından çıkarabilir ve bir gün kuantum internet oluşturabileceği kuantum bilgisayarların performansını tehdit edebilir.
Bu hassasiyet seviyesini elde etmek zor olsa da, Northwestern Üniversite mühendisleri, daha tutarlı, hassas ve güvenilir tek fotonları dağıtan kuantum ışık kaynaklarını yapan yeni bir strateji geliştirdiler.
Yeni bir çalışmada, ekip atomik olarak ince bir yarı iletken (tungsten diselid) PTCDA adı verilen sac gibi bir organik molekülle kapladı. Kaplama, tungsten diselid’in davranışını dönüştürdü – gürültülü sinyalleri temiz tek foton patlamalarına dönüştürdü. Kaplama sadece fotonların spektral saflığını%87 arttırmakla kalmadı, aynı zamanda fotonların rengini kontrollü bir şekilde kaydırdı ve foton aktivasyon enerjisini düşürdü – hepsi malzemenin altta yatan yarı iletken özelliklerini değiştirmeden.
İş içinde görünür Bilim ilerlemeleri.
Basit, ölçeklenebilir yöntem, güvenli iletişim ve ultra tespit sensörleri için güvenilir, verimli kuantum teknolojilerinin yolunu açabilir.
Northwestern Mark C. Hersam, “Tungsten diselidinde eksik atomlar gibi kusurlar olduğunda, malzeme tek foton yayabilir.” Dedi. “Ancak bu tek foton emisyonunun bu noktaları atmosferdeki herhangi bir kirletici maddeye zararlı bir şekilde duyarlıdır. Havadaki oksijen bile bu kuantum yayıcılarla etkileşime girebilir ve aynı tek foton üretme yeteneklerini değiştirebilir. Yayılan fotonların sayısında veya enerjisindeki herhangi bir değişkenlik kuantum teknolojilerinin performansını sınırlar.
“Oldukça düzgün bir moleküler tabaka ekleyerek, tek foton yayıcılarını istenmeyen kirleticilerden koruyoruz.”
Hersam, Northwestern McCormick Mühendislik Okulu’nda Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü ve Walter P. Murphy Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörüdür. Ayrıca Malzeme Araştırma Bilimleri ve Mühendisliği Merkezi Direktörü ve Kuantum Bilgi Araştırma ve Mühendisliği Enstitüsü İcra Komitesi üyesidir.
Bir parçacık otomatı gibi, kuantum ışık kaynakları bir seferde bir ve sadece bir tane fotonu serbest bırakır. Bir kaynak aynı anda birden fazla foton veya farklı enerjilerin fotonları yayarsa, sonuçlar ciddi olabilir. Kuantum iletişiminde, örneğin, ekstra fotonlar siber güvenliği sınırlar. Kuantum algılamada, farklı enerjilerin fotonları hassasiyeti azaltabilir.
Bu görünüşte fütüristik teknolojiler gerçekliğe yaklaştıkça, araştırmacılar hem parlak hem de saf olan foton kaynakları geliştirmek için mücadele ettiler – her seferinde bir özdeş fotonu yönlendiriyorlar.
Yeni çalışmada, Hersam ve ekibi, bireysel foton yayan atomik ölçekli kusurlara ev sahipliği yapabilen iki boyutlu yarı iletken tungsten diselid’e odaklandılar. Tungsten diselid atomik olarak ince olduğundan, kusurları ve yayıcıların hemen yüzeyinde, onları atmosferik kirleticilerle istenmeyen etkileşimlere maruz bırakıyor. Rastgele atmosferik türlerden gelen değişkenliğe duyarlılık, kuantum cihazlarda gereken kesin operasyonlar için tungsten diselidinin güvenilirliğini sınırlar.
Bu sorunların üstesinden gelmek için, Hersam’ın ekibi, pigmentlerde ve boyalarda bulunan organik bir molekül olan tungsten diselidinin her iki tarafını PTCDA (perilenetetrakarboksilik dianhidrit) ile kapladı. Ekip, bir seferde bir vakum odasında molekülleri biriktirdi, bu da kaplamanın düzgün kalmasını sağladı. Moleküler kaplama, çekirdek elektronik yapısını değiştirmeden tungsten diselidinin yüzeyini ve kuantum yayma kusurlarını korumuştur.
Hersam, “Bu, tek foton yayan alanlar için tek tip bir ortam sunan moleküler mükemmel bir kaplama.” Dedi. “Başka bir deyişle, kaplama hassas kuantum yayıcılarını atmosferik kirletici maddeler tarafından bozulmaktan korur.”
Malzemeyi çevresel rahatsızlıklardan koruyarak, kaplama fotonların spektral saflığını önemli ölçüde geliştirdi. Kaplama ayrıca fotonların kuantum iletişim cihazlarında avantajlı olan daha düşük bir enerjiye kaymasına neden oldu. Sonuç, kuantum teknolojileri için kritik olan daha kontrollü, tekrarlanabilir ve daha yüksek kaliteli bir tek foton çıkışıdır.
Hersam, “Kaplama kuantum yayan kusurlarla etkileşime girerken, foton enerjisini tek tip bir şekilde kaydırıyor.” Dedi. “Buna karşılık, bir kuantum yayıcı ile etkileşime giren rastgele bir kirleticiniz olduğunda, enerjiyi öngörülemeyen bir şekilde kaydırır. Tekdüzelik, kuantum cihazlarda tekrarlanabilirlik elde etmenin anahtarıdır.”
Daha sonra, Hersam’ın grubu diğer yarı iletken malzemeleri araştırmayı ve tek foton yayan alanlar üzerinde daha fazla kontrol elde etmek için ek moleküler kaplamalar keşfetmeyi planlıyor. Ekip ayrıca kuantum emisyonunu artırmak için bir elektrik akımı kullanmayı planlıyor ve bu da kuantum bilgisayarların kuantum internetine ağ oluşturmasını kolaylaştıracak.
Hersam, “Büyük fikir, bireysel kuantum bilgisayarlardan kuantum ağlarına ve nihayetinde bir kuantum internete gitmek istiyoruz.” Dedi. “Kuantum iletişimi tek fotonlar kullanılarak gerçekleşecek. Teknolojimiz, kararlı, ayarlanabilir ve ölçeklenebilir tek foton kaynakları oluşturmaya yardımcı olacaktır-bu vizyonu gerçeğe dönüştürmek için temel bileşenler.”
