Молекулярное покрытие очищает шумный квантовый свет

Квантовые технологии требуют совершенства: один фотон за раз, каждый раз, все с одинаковой энергией. Даже крошечные отклонения в количестве или энергии фотонов могут сорвать устройства, угрожая производительности квантовых компьютеров, которые когда -нибудь могут составить квантовый интернет.

Хотя этот уровень точности трудно достичь, инженеры Северо -Западного университета разработали новую стратегию, которая делает квантовые источники света, которые распределяют отдельные фотоны, более последовательные, точные и надежные.

В новом исследовании команда покрыла атомно тонкий полупроводник (вольфрамовый дискетенид) с помощью листовой органической молекулы, называемой PTCDA. Покрытие преобразовало поведение дискетенида вольфрама – превращение шумных сигналов в чистые всплески одиночных фотонов. Мало того, что покрытие увеличивало спектральную чистоту фотонов на 87%, но также сместило цвет фотонов контролируемым образом и снизил энергию активации фотонов – все не изменяя основополагающие полупроводниковые свойства.

Работа появляется в Наука достиженияПолем

Простой, масштабируемый метод может проложить путь для надежных, эффективных квантовых технологий для безопасных коммуникаций и ультра-препаратных датчиков.

«Когда есть дефекты, такие как отсутствующие атомы, в вольфрамовом диселениде, материал может излучать отдельные фотоны», – сказал Марк Северо -Западный Марк С. Херсам, соответствующий автор исследования. «Но эти точки однофотонного излучения изящно чувствительны к любым загрязняющим веществам из атмосферы. Даже кислород в воздухе может взаимодействовать с этими Что касается излучателей и изменить их способность производить одинаковые одиночные фотоны. Любая изменчивость числа или энергии испускаемых фотонов ограничивает производительность квантовых технологий.

«Добавив очень равномерный молекулярный слой, мы защищаем однофотонные излучатели от нежелательных загрязняющих веществ».

Херсам является председателем кафедры материаловедения и инженерии, а также профессором материаловедения и инженерии Уолтера П. Мерфи в Школе технического инженера в северо -западе. Он также является директором научного и инженерного центра материалов и членом Исполнительного комитета Института исследований и инженерии квантовой информации.

Как и торговый автомат для частиц, квантовые источники света выделяют один – и только один – фотон за раз. Если источник излучает несколько фотонов одновременно или фотоны различных энергий, последствия могут быть серьезными. В квантовой связи, например, дополнительные фотоны ограничивают кибербезопасность. В квантовом зондировании фотоны различных энергий могут снизить точность.

Поскольку эти, казалось бы, футуристические технологии приближаются к реальности, исследователи изо всех сил пытались разработать фотонные источники, которые являются яркими и чистыми, – каждый раз отдавая один идентичный фотон по требованию.

В новом исследовании Hersam и его команда сосредоточились на двухмерном полупроводниковом вольфрамовом диселениде, который может иметь дефекты атомного масштаба, которые выделяют отдельные фотоны. Поскольку вольфрамовый дискетенид атомно тонкий, его дефекты и излучатели находятся прямо на поверхности, оставляя их воздействием нежелательных взаимодействий с атмосферными загрязнениями. Эта восприимчивость к изменчивости от случайных атмосферных видов ограничивает надежность вольфрамового диселенида для точных операций, необходимых в квантовых устройствах.

Чтобы преодолеть эти проблемы, команда Херсама покрыла обе стороны вольфрамового дискетенида PTCDA (перилентетракарбоновый диангидрид), органическая молекула, часто встречающаяся в пигментах и красителях. Команда осадила молекулы в вакуумная камера Один молекулярный слой за раз, который гарантировал, что покрытие оставалось равномерным. Молекулярное покрытие защищало поверхность вольфрам погрузился и его квантовые излучающие дефекты, не изменяя ее основную электронную структуру.

«Это молекулярно идеальное покрытие, которое представляет собой равномерную среду для однофотонных сайтов»,-сказал Херсам. «Другими словами, покрытие защищает чувствительные квантовые излучатели от повреждения атмосферными загрязнениями».

Защивывая материал от нарушений окружающей среды, покрытие значительно улучшило спектральную чистоту фотонов. Покрытие также привело к переходу фотонов на более низкую энергию, что выгодно в квантовых устройствах связи. Результатом является более контролируемый, воспроизводимый и более качественный однофотонный выход, который имеет решающее значение для квантовые технологииПолем

«В то время как покрытие действительно взаимодействует с квантовыми излучающими дефектами, оно сдвигает энергию фотона равномерным образом», – сказал Херсам. «В отличие от этого, когда у вас есть случайный загрязняющий вещества, взаимодействующий с квантовым излучателем, он непредсказуемо меняет энергию. Разнообразие является ключом к воспроизводимости в квантовых устройствах».

Затем группа Hersam планирует исследовать другие полупроводниковые материалы и исследовать дополнительные молекулярные покрытия для дальнейшего контроля над объектами однофотонных излучаний. Команда также планирует использовать электрический ток для управления квантовыми выбросами, что облегчит сеть квантовых компьютеров в как ИнтернетПолем

«Большая идея заключается в том, что мы хотим перейти от отдельных квантовых компьютеров к квантовым сетям и, в конечном итоге, квантового интернета», – сказал Херсам. “Квантовая связь будет происходить с использованием одиночные фотоныПолем Наша технология поможет создать однофотонные источники, которые являются стабильными, настраиваемыми и масштабируемыми-основными компонентами для создания этого видения ».