एका रेणूतून दर सेकंदाला 10 कोटी फोटॉन

क्वांटम संदेशवहन, क्वांटम जाळी आणि प्रकाशीय क्वांटम संगणक हे सगळे एकाच मूलभूत घटकावर अवलंबून असतात: एकल-फोटॉन स्रोत, म्हणजे मागणीनुसार एकावेळी एक फोटॉन प्रकाश सोडणारे उपकरण, ज्यातील प्रत्येक फोटॉन पुढच्या फोटॉनसारखाच असतो.

अनेक उमेदवार आहेत: एकल अणू, बंदिस्त आयन, अर्धवाहक क्वांटम डॉट — जे सर्वाधिक परिपक्व आहेत — आणि हिरा किंवा सिलिकॉनमधील दोष. सेंद्रिय रेणू हा वेगळा मार्ग आहे. त्यांची रचना रसायनशास्त्राने अणूगणिक ठरते, आणि ती अचूकपणे पुन्हा निर्माण करता येते; रेणूची रचना करून त्यांचा रंग निवडता येतो. ते सूक्ष्म असतात आणि बनवायला स्वस्त असतात. यजमान स्फटिकात निरपेक्ष शून्याच्या जवळ थंड केले की ते शक्य तितक्या सर्वोच्च वर्णपटीय शुद्धतेचा प्रकाश सोडतात आणि व्यवहारात कधीच झिजत नाहीत.

समस्या: प्रकाश हरवणे

उत्सर्जक सर्व दिशांना प्रकाश पाठवतो, आणि त्यातील बराचसा पूर्ण आंतरिक परावर्तनामुळे पदार्थाच्या आत अडकून राहतो. पहिले भिंग चुकवणारा फोटॉन कायमचा गेला. नेहमीचे उपाय — सूक्ष्मपोकळ्या, नॅनोतारा — यांसाठी पदार्थावर कोरीवकाम करावे लागते. इथे ते अशक्य आहे: सर्वोत्तम प्रकाश देणारे सेंद्रिय स्फटिक नाजूक असतात आणि निर्मिती प्रक्रियांत टिकत नाहीत.

एक आरसा, एक घुमट आणि 140 नॅनोमीटरचा थर

एर्लांगेनमधील मॅक्स प्लँक प्रकाशविज्ञान संस्थेतील श्टेफान ग्योत्सिंगर (Stephan Götzinger) यांच्या चमूने त्याऐवजी सपाट ॲन्टेना वापरला. सिलिकाच्या थराखाली चांदीचा आरसा आहे. वर, झिर्कोनियम ऑक्साइडचा अर्धगोल — एक “घन निमज्जन भिंग” (solid immersion lens) — थेट आधारपट्टीला जोडलेला आहे, ज्यामुळे केवळ 140 नॅनोमीटर जाडीची फट उरते. ही फट डायबेन्झोटेरिलीनचे काही रेणू असलेल्या वितळलेल्या सेंद्रिय स्फटिकाने (1,4-डायक्लोरोबेंझीन) भरली जाते, जो नंतर घट्ट होतो.

प्रकाश उच्च अपवर्तनांकाच्या घुमटाकडे वळवला जातो; दुसऱ्या दिशेने निसटणारा प्रकाश आरसा परत पाठवतो. महत्त्वाचे म्हणजे, स्फटिकावर कधीच कोरीवकाम होत नाही: सगळी रचना आधारपट्टीत आहे. ॲन्टेना अरुंद अनुनादावर अवलंबून नसल्याने तो रंगांच्या विस्तृत पट्ट्यात काम करतो आणि रेणूच्या दिशेवर फारसा अवलंबून नसतो. नमुना 1.4 केल्विन (−271.75 °C) पर्यंत थंड केला जातो.

आकडे

• संकलन कार्यक्षमता: 97 ± 2 % प्रकाश पहिल्या भिंगापर्यंत पोहोचतो.
• एका रेणूतून त्याच्या संपूर्ण वर्णपटात दर सेकंदाला सुमारे 10 कोटी फोटॉन गोळा केले — लेखकांच्या मते, कोणत्याही मंचावरील कोणत्याही अतिशीत एकल-फोटॉन स्रोतासाठी नोंदवलेला हा सर्वोच्च दर आहे. शोधलेला दर, दर सेकंदाला 2.13 कोटी गणना, आधीच्या अतिशीत आण्विक स्रोतांपेक्षा दहापट जास्त आहे.
• शुद्धता: 97.5 % हून अधिक — तीव्र उद्दीपनाखालीही फोटॉन खरोखर एकेक करून बाहेर पडतात.
• अभेद्यता (indistinguishability): 91.2 ± 2.3 % — लागोपाठचे फोटॉन किती एकसारखे आहेत याचे माप, सुसंगततेच्या थोड्या उरलेल्या ऱ्हासामुळे मर्यादित.
• 170.7 नॅनोसेकंदांच्या अंतराने सोडलेले दोन फोटॉनही उच्च दृश्यमानतेने व्यतिकरण करतात.
• उपफलित म्हणून, चमूने मोजले की रेणू त्याच्या उद्दीपनांपैकी सुमारे 90 % प्रकाशात रूपांतरित करतो — या रेणूसाठी कमी तापमानावरचा पहिला थेट अंदाज.

सेंद्रिय रेणू शर्यतीत

हे परिणाम सेंद्रिय रेणूंना एकल फोटॉनसाठीच्या स्पर्धात्मक मंचांमध्ये स्थान देतात: एकाच वेळी तेजस्वी, शुद्ध आणि सुसंगत. ॲन्टेना विशिष्ट रेणूशी जुळवावा लागत नसल्याने, लेखकांना अपेक्षा आहे की तो इतर रेणू–स्फटिक जोड्यांसह, आणि म्हणून इतर रंगांवरही काम करेल. त्यांचे पुढचे उद्दिष्ट: शेजारच्या अनेक रेणूंना एकाच वारंवारतेवर जुळवून प्रकाशाच्या अधिक गुंतागुंतीच्या क्वांटम अवस्था निर्माण करणे — भविष्यातील क्वांटम फोटॉनिक जाळ्यांच्या दिशेने एक पाऊल.