美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)于当地时间3月25日发布,研究人员发现了用于医学成像、量子计算的新型多功能、高性能量子点。

这种量子点与其他单光子发射器不同,新型量子点能够在室温条件下提供稳定的单光谱可调谐红外光子流。这一研究突破也许会催生一系列的实际应用,包括量子通信、量子计量学、医学成像与诊断等。

研究成果以“Highly versatile near-infrared emitters based on an atomically defined HgS interlayer embedded into a CdSe/CdS quantum dot”为题,发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上[2]。

可用于量子计算的新型室温高性能量子点被发现-量子客
图|开发红外发射量子点(来源:LANL)

论文的第一作者Victor Klimov表示,成功在红外线中展示高单光子纯度,在量子密钥分发等安全通信领域实用性强。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队已经可以很好地合成胶体-纳米粒子结构,这种结构来自于他们之前在可见光发射器方面的工作,其本质是包裹在硫化镉外壳中的硒化镉核心。

通过在核心/外壳接口处插入硫化汞中间层,研究团队将量子点转化为高效的红外光发射器,可以调节到特定的波长。

该研究项目的首席化学家Vladimir Sayevich表示:“这种新的合成方法可以对发射硫化汞中间层的厚度进行高度精确的、原子级的控制。通过改变一个原子层的增量,可以在离散离散量化跳跃中调整发射光的波长,并通过调整硒化镉核心的大小,以更为连续的方式进行调整。”

新型量子点远远优于现有的近红外量子点,这些新结构在单点水平上可以“无闪烁”发射,在室温下的单光子纯度近乎完美,且发射速率快。它们在光激发和电激发下,都表现得非常好。

量子计算中,单光子可以用作量子比特。在网络安全应用中,单光子可以通过量子密钥分发来保护计算机网络,通过“牢不可破”的量子协议提供终极安全。

生物成像是另一个重要的应用。新型量子点的发射波长位于近红外窗口内,与深层组织成像十分契合。

人们看不到红外线,但许多现代技术依赖于红外线,从夜视设备和遥感,到电信和生物医学成像。就算在最为新兴的量子技术中,红外光也扮演着重要角色。

量子技术依赖于光粒子或波粒二象性,利用这种量子特性需要“量子光”(quantum light),以单个量子或光子的形式发射光。

该研究项目的量子点光谱学研究员Zack Robinson表示:“在制造这些点的过程中,样品中所有点的发射硫化汞中间层的厚度都是相同的,这一点十分特殊,尤其是对于一个在烧杯中用化学方法制造的材料来说。”

论文的第一作者Victor Klimov补充说,然而,这仅仅是第一步。为了充分利用“量子光”,需要实现光子的不可区分性,也就是说,需要确保所有发射的光子在量子力学层面上是相同的。

 

 

参考链接:

[1]https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2021/March/0325-quantum-dots.php?source=newsroom-topnews-box

[2]https://www.nature.com/articles/s41565-021-00871-x

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳