传统量子计算的大多数使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子比特，构成此类设备的基础。相比较而言，如果利用光来代替物理实体作为基本量子比特，仅需要普通的透镜和光学探测器就可以代替昂贵的设备来控制量子比特的数据输入和输出。
基于此，麻省理工学院的化学教授 Moungi Bawendi、研究生 Alexander Kaplan等人利用一种常见的太阳能光伏材料(铅盐石钙钛矿纳米颗粒)设计了一种新型量子光源，并证明了该材料具有较快的低温辐射速率，可以发射出具有相同特性的单光子流。虽然目前这项工作只是对这些材料功能的基本研究，但有望为新型光学量子计算机以及用于通信的量子隐形传态设备铺平道路。该成果以“Hong–Ou–Mandel interference in colloidal CsPbBr3 perovskite nanocrystals”为题发表在Nature Photonics 上( DOI: 10.1038/s41566-023-01225-w)。
图 钙钛矿纳米颗粒的显微成像
Kaplan称，通过类似量子位的光子，再加上一些常见的线性光学器件，人们就可以建造一台新的量子计算机。整个研究的关键之处在于除了产生这些光子之外，还要确保每一个光子都与之前的光子的量子特性精确匹配。一般来讲，科研上真正重大的范式转变，就是从需要非常特殊且昂贵的光学器件转变为只需要简单常见的普通设备。
Bawendi解释道，他们利用这些彼此相同且无法区分的单光子，并使它们相互作用。这种不可区分性非常重要，如果有两个光子是一模一样的，你就不能区分哪个是第一个，哪个是第二个，没有办法去跟踪它们，这就是允许它们相互作用的原因。Kaplan称，如果人们希望光子具有这种非常特殊的属性，即在能量、偏振、空间模式、时间模式以及所有可以用量子力学编码的东西上有很好的定义，还需要一种量子性能非常好的单光子光源。
实验中，研究团队采用铅盐石钙钛矿纳米颗粒作为发光材料。卤化铅钙钛矿薄膜比如今广泛采用的硅基光伏材料更轻，而且更容易加工制作，作为潜在的下一代光伏材料而受到广泛的关注。与其他胶体半导体不同的是，纳米颗粒形式的卤化铅钙钛矿有着极快的低温辐射率。光发射得越快，输出就越有可能具有明确的波函数。因此，快速的辐射速率使卤化铅钙钛矿纳米颗粒能够独特地发射量子光。
为了测试所设计的单光子源确实具有这种不可区分的特性，标准测试是检测两个光子之间的一种称之为红欧曼德尔干涉的特定类型的干涉。Kaplan表示，该现象是许多基于量子的技术的核心，因此证明它的存在已成为确认光子源可用于这些目的的标准。但符合这种测试要求的材料非常少，几乎不过一手之数。虽然研究团队设计的新光源尚不完美，仅在大约一半的情况下产生 HOM 干扰，但在可扩展性方面相比于其他光源具有非常大的改进，可以集成到其他设备中。因为其他光源使用的是非常纯净的材料，并且他们是一个接一个的原子构成的，所以可扩展性和可重复性比较差。
相比之下，钙钛矿纳米粒子是在溶液中制成的，然后简单地沉积在基底材料上。“我们所做的就是简单的将其旋涂到普通的玻璃表面”，Kaplan说道。但通过这种方式他们也观察到了以前只有在非常严格的制作流程下才能看到的现象。
研究团队表示，该工作的重要性在于希望它能够鼓励人们研究如何在各种设备架构中进一步增强功能，他们完全有信心将这种新型光源集成到光学腔中中将使其性能达到竞争水平。
原标题：基于钙钛矿纳米颗粒的新型量子光源
