Tutarlı tek ışık parçacıkları üreten sistem; kuantum bilgi işlemcilerinin ya da haberleşmelerin önünü açmaya yardımcı olabilir.
Kuantum fiziğinin prensiplerine dayanan pratik bilgi işlem ve iletişim cihazlarını geliştirme arayışında, potansiyel olarak faydalı bir bileşen oluşturmak çok zorlaştı: Mükemmel sabit, öngörülebilir ve sabit özelliklere sahip bireysel ışık parçacıkları kaynağı…
MIT ve İsviçre’deki araştırmacılar; böyle bir foton kaynağına doğru büyük adımlar attıklarını söylüyorlar.
Kuantum noktaları olarak adlandırılan çalışma, ışık yayan parçacıklar yapmak amacıyla; perovskite olarak bilinen bir materyal ailesinin kullanılmasını içermektedir. Araştırma, Science dergisinde yer almaktadır.
Dalga boyu ya da hiç dalgalanmayan renk de dahil olmak üzere kesin olarak bilinen ve kalıcı özelliklere sahip bireysel fotonlar üretme yeteneği, birçok önerilen kuantum cihazı türü için yararlı olabilir. Her foton kuantum-mekanik özellikleri bakımından diğerlerinden ayırt edilemeyeceğinden, örneğin bir tanesini geciktirmek ve çiftin birbiriyle etkileşime girmesine müdahale eden bir fenomen içinde gerçekleştirmesi mümkün olabilir.
Utzat: “Farklı, ayırt edilemeyen tek foton arasındaki bu kuantum girişimi, bilgi taşıyıcıları olarak tek foton kullanan birçok optik kuantum bilgi teknolojisinin temelidir. Fakat sadece fotonlar tutarlıysa çalışır, yani kuantum hallerini yeterince uzun bir süre korurlar.”
Birçok araştırmacı bu tür tutarlı tek fotonlar yayabilecek kaynaklar üretmeye çalışmış, ancak hepsinin kısıtlayıcı birçok özelliğiyle karşılaşmışlardır. Bu yayıcıları çevreleyen malzemelerdeki rasgele dalgalanmalar; fotonların özelliklerini öngörülemeyen şekillerde değiştirme, tutarlılıklarını bozma eğilimindedir.
Utzat: “Tutarlılığı koruyan, aynı zamanda parlak ve kararlı olan yayıcı materyalleri bulmak ‘temelde zordur’. Bunun nedeni; yalnızca çevre değildir, hatta malzemelerin bile elektronik olarak uyarılmış kuantum durumuyla, rasgele etkileşimde bulunan ve tutarlılığı gideren dalgalı bir yıkama sağlamasıdır.”
Lester Wolfe Kimya Profesörü Bawendi: “Tutarlı tek bir foton kaynağına sahip olmadan, optik kuantum bilgi manipülasyonunun temeli olan bu kuantum efektlerinin hiçbirini kullanamazsınız. Tutarlı fotonlara sahip olarak kullanılabilecek bir diğer önemli kuantum etkisinin, iki fotonun temelde tekmiş gibi davranıp, tüm özelliklerini paylaşan dolaşmadır.”
Daha önce kimyasal olarak yapılan kolloidal kuantum nokta malzemeleri, pratik olarak kısa tutarlılık sürelerine sahipti, ancak bu ekip, kristal yapıları tarafından tanımlanan bir malzeme ailesi olan perovskitten kuantum noktalarını yapmanın önceki sürümlerden bin kat daha iyi tutarlılık seviyeleri ürettiğini keşfetti. Bu kolloidal perovskite kuantum noktalarının tutarlılık özellikleri, şimdi pırlantadaki atom benzeri kusurlar veya gaz-faz ışını epitaksi kullanılarak fizikçiler tarafından büyütülen kuantum noktaları gibi yerleşik yayıcıların seviyelerine yaklaşmaktadır.
Perokitlerin en büyük avantajlarından biri; bir lazer ışını tarafından uyarıldıktan sonra çok hızlı bir şekilde foton yaymalarıydı. Bu yüksek hız, potansiyel kuantum hesaplama uygulamaları için çok önemli bir özellik olabilir. Ayrıca çevreleriyle çok az etkileşime girerler, tutarlılık özelliklerini ve kararlılıklarını büyük ölçüde iyileştirirler.
Bawendi; bu gibi tutarlı fotonların kuantum şifreli iletişim uygulamaları için de kullanılabileceğini söylüyor. Polarizasyon karışıklığı olarak adlandırılan belirli bir karışıklık, müdahale girişimlerini engelleyen güvenli kuantum iletişiminin temeli olabilir.
Ekibin, gelecek vaat eden özellikleri bulunduktan sonraki adımı; ölçeklenebilir ve pratik hale getirmek için performanslarını optimize etmek ve iyileştirmek için çalışmak olacak. Birincisi, üretilen fotonlarda yüzde 100 fark edilemezlik kazanmaları gerekiyor. Şimdiye dek yüzde 20’ye ulaştı. Halihazırda kurulmuş sistemler üzerinde çalışılmış ve elmas üzerinde bulunan atom benzeri floresan kusurları gibi diğer malzemelerin ulaştığı tutarlılıklarla karşılaştırılabilir duruma gelmiştir.
Utzat: “Perovskite kuantum noktaları, gerçek uygulamalarda uygulanabilir hale gelinceye kadar daha uzun bir yol katetmeye devam ediyor. Ancak bu, şu anda optimize edilebilecek ve potansiyel olarak cihazlarla entegre edilebilecek kuantum fotonik için yeni bir malzeme sistemidir.”
Araştırmacılar, bu yeni fenomende pratik bir seviyeye gelmek için; çalışmanın geliştirileceğini söylüyor.
Bawendi: “Çalışmamız çok temel… Ancak, gelecek vaat eden yeni bir malzeme platformu geliştirmeye doğru atılmış büyük bir adım.”
