Se espera que la computación cuántica y la criptografía cuántica brinden capacidades mucho más altas que sus contrapartes clásicas. Por ejemplo, la potencia de cálculo en un sistema cuántico puede crecer a una tasa exponencial doble en lugar de una tasa lineal clásica debido a la diferente naturaleza de la unidad básica, el qubit (bit cuántico). Las partículas enredadas habilitan los códigos irrompibles para comunicaciones seguras. La importancia de estas tecnologías motivó al gobierno de los EE. UU. A legislar la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional, que autoriza 1.200 millones de dólares durante los siguientes cinco años para desarrollar la ciencia de la información cuántica.

Los fotones individuales pueden ser una fuente de qubits esencial para estas aplicaciones. Para lograr un uso práctico, los fotones individuales deben estar en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, que van desde 1, 260-1, 675 nanómetros, y el dispositivo debe funcionar a temperatura ambiente. Hasta la fecha, sólo un único defecto cuántico fluorescente en los nanotubos de carbono posee ambas características simultáneamente. Sin embargo, la creación precisa de estos defectos individuales se ha visto obstaculizada por métodos de preparación que requieren reactivos especiales, son difíciles de controlar, proceda lentamente, generar defectos no emisivos, o son difíciles de escalar.

Ahora, investigación de Angela Belcher, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, Miembro del Instituto Koch, y el profesor de ingeniería biológica James Crafts, y postdoctorado Ching-Wei Lin, publicado en línea en Comunicaciones de la naturaleza , describe una solución simple para crear emisores de fotón único basados ​​en nanotubos de carbono, que se conocen como defectos cuánticos fluorescentes.

"Ahora podemos sintetizar rápidamente estos defectos cuánticos fluorescentes en un minuto, simplemente usando lejía y luz de uso doméstico, ", Dice Lin." Y podemos producirlos a gran escala fácilmente ".

El laboratorio de Belcher ha demostrado este método sorprendentemente simple con un mínimo de defectos no fluorescentes generados. Se sumergieron nanotubos de carbono en lejía y luego se irradiaron con luz ultravioleta durante menos de un minuto para crear los defectos cuánticos fluorescentes.

La disponibilidad de defectos cuánticos fluorescentes de este método ha reducido en gran medida la barrera para trasladar los estudios fundamentales a aplicaciones prácticas. Mientras tanto, los nanotubos se vuelven aún más brillantes después de la creación de estos defectos fluorescentes. Además, la excitación / emisión de estos nanotubos de carbono defectuosos se desplaza a la llamada región infrarroja de onda corta (900-1, 600 nm), que es una ventana óptica invisible que tiene longitudes de onda ligeramente más largas que el infrarrojo cercano regular. Y lo que es más, Las operaciones en longitudes de onda más largas con emisores de defectos más brillantes permiten a los investigadores ver a través del tejido con mayor claridad y profundidad para obtener imágenes ópticas. Como resultado, las sondas ópticas basadas en nanotubos de carbono defectuosos (generalmente para conjugar los materiales de orientación con estos nanotubos de carbono defectuosos) mejorarán en gran medida el rendimiento de la imagen, permitiendo la detección del cáncer y tratamientos como la detección temprana y la cirugía guiada por imágenes.

Los cánceres fueron la segunda causa principal de muerte en los Estados Unidos en 2017. Extrapolado, esto asciende a alrededor de 500, 000 personas que mueren de cáncer cada año. El objetivo del laboratorio de Belcher es desarrollar sondas muy brillantes que funcionen en la ventana óptica óptima para observar tumores muy pequeños. principalmente en cánceres de ovario y cerebro. Si los médicos pueden detectar la enfermedad antes, la tasa de supervivencia se puede aumentar significativamente, según las estadísticas. Y ahora, el nuevo defecto cuántico fluorescente brillante puede ser la herramienta adecuada para actualizar los sistemas de imágenes actuales, mirando tumores aún más pequeños a través de la emisión de defectos.

"Hemos demostrado una visualización clara de la estructura de la vasculatura y los sistemas linfáticos utilizando 150 veces menos cantidad de sondas en comparación con la generación anterior de sistemas de imágenes, "Belcher dice, "Esto indica que hemos avanzado un paso más hacia la detección temprana del cáncer".

En colaboración con colaboradores de Rice University, Los investigadores pueden identificar por primera vez la distribución de defectos cuánticos en nanotubos de carbono utilizando un método de espectroscopia novedoso llamado espectroscopia de varianza. Este método ayudó a los investigadores a monitorear la calidad de los nanotubos de carbono contenidos en el defecto cuántico y a encontrar los parámetros sintéticos correctos más fácilmente.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.