Οι κβαντικές τεχνολογίες απαιτούν απόλυτη ακρίβεια: ένα φωτόνιο τη φορά, κάθε φορά και όλα με την ίδια ενέργεια. Ακόμα και μικρές αποκλίσεις στον αριθμό ή στην ενέργεια των φωτονίων μπορούν να εκτροχιάσουν τις συσκευές, απειλώντας την απόδοση κβαντικών υπολογιστών ή ενός μελλοντικού κβαντικού διαδικτύου.
Αν και η επίτευξη αυτού του επιπέδου ακρίβειας είναι εξαιρετικά δύσκολη, μηχανικοί του Northwestern University ανέπτυξαν μια νέα στρατηγική που καθιστά τις πηγές κβαντικού φωτός – οι οποίες εκπέμπουν μονά φωτόνια – πιο συνεπείς, ακριβείς και αξιόπιστες.
Επίστρωση με PTCDA για καθαρότερα φωτόνια
Στη νέα μελέτη, η ομάδα εφάρμοσε μια μονοστρωματική οργανική επίστρωση, το μόριο PTCDA (perylenetetracarboxylic dianhydride), σε ένα ατομικά λεπτό ημιαγώγιμο υλικό, το δισεληνιούχο βολφράμιο (tungsten diselenide). Η επίστρωση μεταμόρφωσε τη συμπεριφορά του υλικού, μετατρέποντας τα «θορυβώδη» σήματα σε καθαρές εκπομπές μονών φωτονίων.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό:
- Η φασματική καθαρότητα των φωτονίων αυξήθηκε κατά 87%
- Υπήρξε ελεγχόμενη μετατόπιση στο χρώμα των φωτονίων
- Μειώθηκε η ενεργειακή απαίτηση για την εκπομπή φωτονίων
- Το υλικό διατήρησε τις ημιαγωγικές του ιδιότητες
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances και προτείνει μια απλή, επεκτάσιμη μέθοδο, κατάλληλη για τη μαζική παραγωγή σταθερών πηγών φωτονίων, απαραίτητων για εφαρμογές όπως η ασφαλής κβαντική επικοινωνία και οι υπερακριβείς αισθητήρες.
Από ατέλειες σε λειτουργικότητα
«Όταν υπάρχουν ατέλειες, όπως χαμένα άτομα, στο δισεληνιούχο βολφράμιο, το υλικό μπορεί να εκπέμπει μονά φωτόνια», εξήγησε ο Mark C. Hersam, κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Αλλά αυτά τα σημεία εκπομπής είναι εξαιρετικά ευαίσθητα σε ρύπους από την ατμόσφαιρα. Ακόμα και το οξυγόνο μπορεί να επηρεάσει την ικανότητά τους να εκπέμπουν φωτόνια με την ίδια ενέργεια κάθε φορά.»
Η μοριακή επίστρωση λειτουργεί σαν ασπίδα, προστατεύοντας τα ευαίσθητα σημεία εκπομπής από περιβαλλοντικές παρεμβολές χωρίς να αλλάζει τη βασική ηλεκτρονική συμπεριφορά του υλικού.
Η σημασία της φασματικής καθαρότητας
Πηγές κβαντικού φωτός πρέπει να λειτουργούν σαν μηχανές αυτόματης πώλησης φωτονίων: ένα φωτόνιο κάθε φορά. Εκπομπές πολλών φωτονίων ή φωτονίων με διαφορετική ενέργεια μπορεί να υπονομεύσουν:
- Την ασφάλεια στην κβαντική επικοινωνία
- Την ακρίβεια σε κβαντική ανίχνευση
Οι ερευνητές κατάφεραν να βελτιώσουν δραστικά την αναπαραγωγιμότητα και την ποιότητα της εκπομπής.
Ομοιόμορφη αλληλεπίδραση = Σταθερότητα
«Η επίστρωση αλληλεπιδρά με τις περιοχές εκπομπής, αλλά μετατοπίζει την ενέργεια των φωτονίων με ομοιόμορφο τρόπο», εξηγεί ο Hersam.
«Σε αντίθεση με τους τυχαίους ρύπους, που προκαλούν απρόβλεπτες μετατοπίσεις. Η ομοιομορφία είναι το κλειδί για την αξιοπιστία σε κβαντικές συσκευές.»
Επόμενα βήματα
Η ομάδα του Hersam σχεδιάζει να:
- Δοκιμάσει άλλα ημιαγώγιμα υλικά
- Πειραματιστεί με διαφορετικές μοριακές επιστρώσεις
- Αναπτύξει εκπομπή φωτονίων με ηλεκτρικό ρεύμα, απαραίτητο βήμα για τη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών σε κβαντικό διαδίκτυο
Το όραμα: Κβαντικό διαδίκτυο
«Ο απώτερος στόχος είναι να προχωρήσουμε από μεμονωμένους κβαντικούς υπολογιστές σε κβαντικά δίκτυα και τελικά, σε ένα κβαντικό διαδίκτυο», δήλωσε ο Hersam.
«Η κβαντική επικοινωνία θα βασίζεται σε μονά φωτόνια. Η τεχνολογία μας προσφέρει πηγές φωτονίων που είναι σταθερές, ρυθμιζόμενες και επεκτάσιμες – βασικά στοιχεία για να γίνει αυτό πραγματικότητα.»
More information: Riddhi Ananth et al, Enhanced Spectral Purity of WSe2 Quantum Emitters via Conformal Organic Adlayers, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady7557
Journal information: Science Advances
Provided by Northwestern University
