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分子コーティングは騒々しい量子光をきれいにします

量子技術は完璧を要求します。一度に1つの光子、毎回、すべて同じエネルギーを持っています。光子の数やエネルギーの小さな逸脱でさえ、デバイスを脱線させることができ、いつか量子インターネットを構成できる量子コンピューターのパフォーマンスを脅かします。 このレベルの精度を達成することは困難ですが、ノースウェスタン大学のエンジニアは、より一貫性があり、正確で信頼性の高い単一光子を分配する量子光源を作る新しい戦略を開発しました。 新しいで 公開された研究 Scienceの雑誌の進歩では、チームはPTCDAと呼ばれるシートのような有機分子で、原子的に薄い半導体（タングステンジレナイド）をコーティングしました。コーティングは、タングステンジオレニドの挙動を変化させました。ノイズの多いシグナルを単一フォトンのきれいなバーストに変えます。コーティングは、光子のスペクトル純度を87％増加させただけでなく、光子の色を制御された方法でシフトし、光子活性化エネルギーを低下させました。 シンプルでスケーラブルな方法は、安全な通信と超高速センサーのための信頼性の高い効率的な量子技術への道を開くことができます。 「トングステンジスレニドで、原子が欠落しているなどの欠陥がある場合、材料は単一の光子を発することができます」とノースウェスタンズは言いました。 マークC.ハーサム、研究に対応する著者。 「しかし、これらの単一光子排出のポイントは、大気からの汚染物質に絶妙に敏感です。空気中の酸素でさえ、これらの量子エミッターと相互作用し、同一の単一光子を生成する能力を変えることができます。 ハーサムは、材料科学工学部の議長であり、ノースウェスタンズの材料科学と工学のウォルター・P・マーフィー教授です McCormick School of Engineering。彼はまた、ディレクターです 材料研究科学および工学センター およびの執行委員会のメンバー 量子情報研究および工学研究所。 これらの一見未来的な技術が現実に近づくにつれて、研究者は明るく純粋な光子源の開発に苦労しました。 新しい研究では、Hersamと彼のチームは、個々の光子を放出する原子スケールの欠陥をホストできる2次元半導体タングステンジオレニドに焦点を合わせました。タングステンジオレニドは原子的に薄いため、その欠陥とエミッターは表面上にあり、大気汚染物質との不要な相互作用にさらされています。ランダムな大気種からの変動に対するこの感受性は、量子デバイスで必要な正確な動作に対するタングステンジレナイドの信頼性を制限します。 これらの問題を克服するために、Hersamのチームは、色素や染料でよく見られる有機分子であるTungsten Diselenideの両側（Perylenetetracarboxylic dianhyhydidide）でコーティングしました。チームは、一度に分子を真空チャンバー1分子層に堆積させたため、コーティングの均一なままになりました。分子コーティングは、コア電子構造を変更することなく、タングステンジスレニドとその量子放射欠陥の表面を保護しました。 「これは分子的に完全なコーティングであり、単一光子放出部位の均一な環境を提供します」とHersam氏は言います。 「言い換えれば、コーティングは、敏感な量子エミッターが大気の汚染物質によって腐敗するのを防ぎます。」 材料を環境障害から保護することにより、コーティングは光子のスペクトル純度を劇的に改善しました。また、コーティングにより、光子がより低いエネルギーにシフトしました。これは、量子通信デバイスで有利です。その結果、より制御され、再現性が高く、より高品質の単一光子出力が得られ、これは量子技術にとって重要です。 「コーティングは量子放射欠陥と相互作用しますが、光子エネルギーを均一にシフトします」とHersam氏は言います。 「対照的に、量子エミッターと相互作用するランダムな汚染物質がある場合、それは予測不可能な方法でエネルギーをシフトします。均一性は、量子デバイスで再現性を得るための鍵です。」 次に、Hersamのグループは、他の半導体材料を調査し、追加の分子コーティングを探索して、単一光子発光部位をさらに制御することを計画しています。チームはまた、電流を使用して量子排出を促進することを計画しています。これにより、量子コンピューターのネットワーキングが量子インターネットへのネットワークが促進されます。 「大きなアイデアは、個々の量子コンピューターから量子ネットワーク、そして最終的には量子インターネットに進みたいということです」とHersam氏は言います。 「単一の光子を使用して量子通信が発生します。このテクノロジーは、安定し、調整可能でスケーラブルな単一光子ソースの構築に役立ちます。そのビジョンを実現するための重要なコンポーネントです。」 メモ この研究は、主に米国エネルギー省（賞番号DE-SC0021314）によって支援され、国立科学財団（賞番号DMR-2308691）および陸軍研究室（賞番号w911nf-25-2-0018）からの追加の部分的な支援がありました。 #分子コーティングは騒々しい量子光をきれいにします