在开发基于量子物理的实用计算和通信设备的全球探索中，一个潜在有用的组件被证明是难以捉摸的：一个具有完全恒定、可预测和稳定特性的单个光粒子源。现在，麻省理工学院和瑞士的研究人员表示，他们已经朝着这种光子源迈出了重要的一步。

这项发表在《科学》杂志上的研究涉及使用一系列被称为钙钛矿的材料来制造被称为量子点的发光颗粒。论文由麻省理工学院化学系系主任亨德里克乌扎特(Hendrik Utzat)、化学教授穆恩吉巴文迪(Moungi Bawendi)以及来自麻省理工学院和瑞士苏黎世联邦理工学院的其他9人组成。

产生具有精确已知和持久特性(包括波长或颜色)的单个光子的能力完全不会波动，这可能对许多提出的量子设备有用。因为每个光子在其量子力学性质上与其他光子无法区分，例如，一个光子可以被延迟，然后这对光子可以相互作用，这被称为干涉。

乌特扎特解释说：“不同不可区分的单光子之间的量子干涉是许多使用单光子作为信息载体的光学量子信息技术的基础。“但只有光子是相干的，这才是有效的，这意味着它们可以在足够长的时间内保持量子状态。”

许多研究人员试图制造能够发射这种相干单光子的光源，但它们都有局限性。这些发射器周围材料的随机波动通常会以不可预测的方式改变光子的属性，从而破坏它们的相干性。Utzat说，寻找一致、明亮和稳定的发光材料是“根本性的挑战”。他说，这是因为不仅环境，而且材料本身“基本上提供了一个波动的浴池，它与电子激发的量子态随机相互作用，清除了相干性”。

莱斯特沃尔夫大学的化学教授巴文迪说：“没有相干单光子源，就无法将这些量子效应中的任何一种作为光量子信息处理的基础。他说，相干光子可以利用的另一个重要量子效应是纠缠，在纠缠中，两个光子基本上共享它们的所有属性，就像它们是一个一样。

以往化学制造的胶体量子点材料的相干时间很短，但研究团队发现，钙钛矿制造的量子点，这是一系列由晶体结构定义的材料，产生的相干水平比以前的版本好1000多倍。这些胶体钙钛矿量子点的相干特性现在已经接近已建立的发射体的水平，例如物理学家使用蒸汽束外延生长的金刚石或量子点中的原子缺陷。

他们发现钙钛矿的优点之一是，在受到激光束的刺激后，它们可以非常快地发射光子。这种高速可能是潜在量子计算应用的关键特征。它们与周围环境的互动很少，这大大提高了它们的连贯性和稳定性。

巴文迪说，这种相干光子也可以用于量子加密通信应用。一种称为偏振纠缠的特殊纠缠可以作为安全量子通信的基础，但不能阻止拦截。

既然团队已经找到了这些有前途的特性，下一步就是优化和提高它们的性能，使它们具有可扩展性和实用性。首先，它们需要在产生的光子中实现100%的不可分辨性。到目前为止，它们已经达到了20%，“这是非常了不起的”，乌特扎特说，这已经可以与其他材料实现的相干性相提并论，比如钻石中的原子荧光缺陷，而这些已经建立的系统已经被研究了更长的时间。

他说：“钙钛矿量子点在应用于实际应用之前，还有很长的路要走。“但这是一种可以用于量子光子学的新材料体系，现在可以进行优化，并可能与器件集成。”

研究人员说，这是一个新现象，需要大量的工作才能发展到实用的水平。巴文迪指出：“我们的研究非常基础。“然而，这是朝着开发一个有希望的新材料平台迈出的一大步。”

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