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 perfectamente constante, previsible, y características estables. Ahora, Los investigadores del MIT y de Suiza dicen que han dado pasos importantes hacia una fuente de fotones única de este tipo.

El estudio, que implica el uso de una familia de materiales conocidos como perovskitas para hacer partículas emisoras de luz llamadas puntos cuánticos, aparece hoy en la revista Ciencias . El artículo es del estudiante graduado de química del MIT Hendrik Utzat, 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, incluyendo una longitud de onda, o color, que no fluctúa en absoluto, podría ser útil para muchos tipos de dispositivos cuánticos propuestos. Debido a que cada fotón sería indistinguible de los demás en términos de sus propiedades mecánicas cuánticas, podría ser posible, por ejemplo, retrasar uno de ellos y luego hacer que la pareja 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 suficientemente largo ".

Muchos investigadores han intentado producir fuentes que pudieran emitir fotones únicos 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 manera impredecible. destruyendo su coherencia. Encontrar materiales emisores que mantengan la coherencia y que también sean 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 únicos coherentes, no puede usar ninguno de estos efectos cuánticos que son la base de la manipulación de información cuántica óptica, "dice Bawendi, quien es el profesor de química Lester Wolfe. Otro efecto cuántico importante que se puede aprovechar al tener fotones coherentes, él dice, es un enredo, en el que dos fotones se comportan esencialmente como si fueran uno, compartiendo todas sus propiedades.

Los materiales de puntos cuánticos coloidales anteriores fabricados 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, produjo niveles de coherencia que fueron más de mil veces mejores que las versiones anteriores. Las propiedades de coherencia de estos puntos cuánticos de perovskita coloidal se están acercando ahora a los niveles de los emisores establecidos, como defectos en forma de átomo en diamantes o puntos cuánticos desarrollados por físicos usando epitaxia de haz de fase gaseosa.

Una de las grandes ventajas de las perovskitas, ellos encontraron, fue que emiten fotones muy rápidamente después de ser estimulados por un rayo láser. Esta alta velocidad podría ser una característica crucial para posibles aplicaciones de computación cuántica. También tienen muy poca interacción con su entorno, mejorando enormemente sus propiedades de coherencia y estabilidad.

Estos fotones coherentes también podrían usarse para aplicaciones de comunicaciones cifradas cuánticas, Dice Bawendi. Un tipo particular de enredo, 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 en la optimización y mejora de su rendimiento para hacerlos escalables y prácticos. Por una cosa, necesitan lograr un 100 por ciento de indistinguibilidad en los fotones producidos. Hasta aquí, han alcanzado el 20 por ciento, "que ya es muy notable, "Utzat dice, ya comparables a las coherencias alcanzadas por otros materiales, como defectos fluorescentes en forma de átomo en el diamante, que ya son sistemas establecidos y en los que se ha trabajado mucho más tiempo.

"Los puntos cuánticos de perovskita todavía tienen un largo camino por recorrer hasta que sean aplicables en aplicaciones reales, " él dice, "pero este es un nuevo sistema de materiales disponible para la fotónica cuántica que ahora se puede optimizar y potencialmente integrar con los dispositivos".

Es un fenómeno nuevo y requerirá mucho trabajo para desarrollarlo a un nivel práctico, dicen los investigadores. "Nuestro estudio es muy fundamental, "Observa Bawendi". Sin embargo, es un gran paso hacia el desarrollo de una nueva plataforma de materiales prometedora ".