En la búsqueda global para desarrollar dispositivos prácticos de computación y comunicaciones basados en los principios de la física cuántica, un componente potencialmente útil ha resultado esquivo: una fuente de partículas individuales de luz con características perfectamente constantes, predecibles y estables. Ahora, los investigadores deEl MIT y Suiza dicen que han dado pasos importantes hacia una fuente de fotones únicos.
El estudio, que implica el uso de una familia de materiales conocidos como perovskitas para producir partículas emisoras de luz llamadas puntos cuánticos, aparece hoy en la revista ciencia . El artículo es del estudiante graduado en química del MIT Hendrik Utzat, el profesor de química Moungi Bawendi y otros nueve en el MIT y en ETH en Zurich, Suiza.
La capacidad de producir fotones individuales con propiedades persistentes y conocidas con precisión, incluida una longitud de onda o color, que no fluctúa en absoluto, podría ser útil para muchos tipos de dispositivos cuánticos propuestos. Porque cada fotón sería indistinguible de los demás enEn términos de sus propiedades mecánicas cuánticas, podría ser posible, por ejemplo, retrasar uno de ellos y luego hacer que el par interactúe entre sí, en un fenómeno llamado interferencia.
"Esta interferencia cuántica entre diferentes fotones individuales indistinguibles es la base de muchas tecnologías ópticas de información cuántica que utilizan fotones individuales como portadores de información", explica Utzat. "Pero solo funciona si los fotones son coherentes, lo que significa que conservan sus estados cuánticos durante un tiempo.suficiente tiempo. "
Muchos investigadores han intentado producir fuentes que pudieran emitir fotones únicos tan coherentes, pero todos han tenido limitaciones. Las fluctuaciones aleatorias en los materiales que rodean a estos emisores tienden a cambiar las propiedades de los fotones de formas impredecibles, destruyendo su coherencia. Encontrar materiales emisoresque mantienen la coherencia y también son brillantes y estables es "fundamentalmente desafiante", dice Utzat. Eso se debe a que no solo el entorno, sino incluso los propios materiales "proporcionan esencialmente un baño fluctuante que interactúa aleatoriamente con el estado cuántico excitado electrónicamente y elimina la coherencia," él dice.
"Sin tener una fuente de fotones individuales coherentes, no se puede utilizar ninguno de estos efectos cuánticos que son la base de la manipulación de información cuántica óptica", dice Bawendi, profesor de Química Lester Wolfe. Otro efecto cuántico importante quepuede aprovecharse al tener fotones coherentes, dice, es el entrelazamiento, en el que dos fotones se comportan esencialmente como si fueran uno, compartiendo todas sus propiedades.
Los materiales de puntos cuánticos coloidales previamente hechos químicamente tenían tiempos de coherencia imprácticamente cortos, pero este equipo descubrió que hacer los puntos cuánticos a partir de perovskitas, una familia de materiales definida por su estructura cristalina, producía niveles de coherencia que eran más de mil veces mejores queversiones anteriores. Las propiedades de coherencia de estos puntos cuánticos de perovskita coloidal se están acercando ahora a los niveles de los emisores establecidos, como los defectos de tipo átomo en el diamante o los puntos cuánticos cultivados por físicos que utilizan la epitaxia de haz de fase gaseosa.
Descubrieron que una de las grandes ventajas de las perovskitas era que emitían fotones muy rápidamente después de ser estimuladas por un rayo láser. Esta alta velocidad podría ser una característica crucial para posibles aplicaciones de computación cuántica. También tienen muy poca interacción con susalrededores, mejorando en gran medida sus propiedades de coherencia y estabilidad.
Dichos fotones coherentes también podrían usarse para aplicaciones de comunicaciones cifradas cuánticas, dice Bawendi. Un tipo particular de entrelazamiento, llamado entrelazamiento de polarización, puede ser la base para comunicaciones cuánticas seguras que desafían los intentos de interceptación.
Ahora que el equipo ha encontrado estas propiedades prometedoras, el siguiente paso es trabajar para optimizar y mejorar su rendimiento para que sean escalables y prácticos. Por un lado, deben lograr un 100% de indistinguibilidad en los fotones producidos.Hasta ahora, han llegado al 20 por ciento, "lo que ya es muy notable", dice Utzat, ya comparable a las coherencias alcanzadas por otros materiales, como los defectos fluorescentes en forma de átomo en el diamante, que ya son sistemas establecidos y se han trabajado muchomás.
"Los puntos cuánticos de perovskita todavía tienen un largo camino por recorrer hasta que se vuelvan aplicables en aplicaciones reales", dice, "pero este es un nuevo sistema de materiales disponible para fotónica cuántica que ahora se puede optimizar y potencialmente integrar con dispositivos".
Es un fenómeno nuevo y requerirá mucho trabajo para desarrollarlo a un nivel práctico, dicen los investigadores. "Nuestro estudio es muy fundamental", señala Bawendi. "Sin embargo, es un gran paso hacia el desarrollo de una nueva plataforma de materiales que es prometedora."
El trabajo contó con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., La National Science Foundation y la Comisión Federal Suiza de Tecnología e Innovación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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