麻省理工學院的研究人員使用已被廣泛研究作為潛在的新型太陽能光伏發電的新型材料，證明這些材料的納米顆粒可以發射單個相同的光子流。研究人員表示，雖然這項工作目前是對這些材料功能的基本發現，但它最終可能為新型光學量子計算機以及用於通信的量子隱形傳態設備鋪平道路。

 該結果於6 月22 日發表在《自然光子學》雜誌上，論文作者為麻省理工學院研究生Alexander Kaplan、化學教授Moungi Bawendi 和其他六人。

顯微成像顯示鈣鈦礦納米晶體的尺寸均勻性。圖片來源：研究人員提供

大多數量子計算概念都使用超冷原子或單個電子的自旋作為量子位，構成此類設備的基礎。但大約二十年前，一些研究人員提出了使用光而不是物理物體作為基本量子位單元的想法。除其他優點外，這將消除對複雜且昂貴的設備來控制量子位以及輸入和提取數據的需要。相反，普通的鏡子和光學探測器就足夠了。

“有了這些類似量子位的光子，”卡普蘭解釋道，“只要你有適當準備的光子，只需’家用’線性光學器件，你就可以建造一台量子計算機。”

這些光子的準備是關鍵。每個光子都必須與前一個光子的量子特性精確匹配，等等。一旦實現完美匹配，“真正重大的範式轉變就是從需要非常奇特的光學器件、非常奇特的設備，轉變為只需要簡單的設備。 需要特別的是光本身。”

然後，他們採用這些彼此相同且無法區分的單光子，並使它們相互作用。這種不可區分性至關重要：如果有兩個光子，並且“它們的一切都是一樣的，你不能說第一和第二，你就無法以這種方式跟踪它們。 這就是讓他們能夠以某些非經典方式進行互動的原因。”

卡普蘭說：“如果我們希望光子具有這種非常特殊的屬性，即在能量、偏振、空間模式、時間以及所有我們可以用量子力學編碼的東西上有很好的定義。”

他們最終使用的來源是一種鉛鹽石鈣鈦礦納米粒子。鹵化鉛鈣鈦礦薄膜作為潛在的下一代光伏發電而受到廣泛關注，因為它們比當今標準的矽基光伏發電更輕，更容易加工。納米顆粒形式的滷化鉛鈣鈦礦以其極快的低溫輻射率而聞名，這使它們有別於其他膠體半導體納米顆粒。光發射得越快，輸出就越有可能具有明確的波函數。因此，快速的輻射速率使鹵化鉛鈣鈦礦納米顆粒能夠獨特地發射量子光。

為了測試它們產生的光子確實具有這種不可區分的特性，標準測試是檢測兩個光子之間的一種特定類型的干涉，稱為紅歐曼德爾干涉。卡普蘭說，這種現像是許多基於量子的技術的核心，因此證明它的存在“已成為確認光子源可用於這些目的的標誌”。

很少有材料能夠發出符合這項測試的光。“它們幾乎可以用一隻手列出來。” 雖然他們的新源尚不完美，僅在大約一半的情況下產生HOM 干擾，但其他源在實現可擴展性方面存在重大問題。“其他來源之所以一致，是因為它們是用最純淨的材料製成的，而且它們是一個接一個、一個原子接一個原子地單獨製成的。 因此，可擴展性和再現性都很差，”卡普蘭說。

相比之下，鈣鈦礦納米粒子是在溶液中製成的，然後簡單地沉積在基材材料上。“我們基本上只是將它們旋轉到一個表面上，在這種情況下只是一個普通的玻璃表面，我們看到他們經歷了以前只有在最嚴格的準備條件下才能看到的行為。因此，儘管這些材料可能還不完美，“它們的可擴展性非常好，我們可以製造很多。而且它們目前還沒有得到優化。我們可以將它們集成到設備中，並且可以進一步改進它們，”卡普蘭說。

在現階段，這項工作是“一個非常有趣的基本發現”，展示了這些材料的功能。“這項工作的重要性在於，希望它可以鼓勵人們研究如何在各種設備架構中進一步增強這些功能。”而且，通過將這些發射器集成到稱為光學腔的反射系統中，就像其他光源所做的那樣，“我們完全有信心將它們集成到光學腔中將使它們的性能達到競爭水平。”