Espera-se que a computação quântica e a criptografia quântica forneçam recursos muito maiores do que suas contrapartes clássicas. Por exemplo, o poder de computação em um sistema quântico pode crescer a uma taxa exponencial dupla em vez de uma taxa linear clássica devido à natureza diferente da unidade básica, o qubit (bit quântico). Partículas emaranhadas habilitam os códigos inquebráveis ​​para comunicações seguras. A importância dessas tecnologias motivou o governo dos EUA a legislar o National Quantum Initiative Act, que autoriza US $ 1,2 bilhão nos cinco anos seguintes para o desenvolvimento da ciência da informação quântica.

Fótons únicos podem ser uma fonte de qubit essencial para essas aplicações. Para alcançar o uso prático, os fótons individuais devem estar nos comprimentos de onda de telecom, que variam de 1, 260-1, 675 nanômetros, e o dispositivo deve funcionar à temperatura ambiente. A data, apenas um único defeito quântico fluorescente em nanotubos de carbono possui os dois recursos simultaneamente. Contudo, a criação precisa desses defeitos únicos foi dificultada por métodos de preparação que requerem reagentes especiais, são difíceis de controlar, prossiga devagar, gerar defeitos não emissivos, ou são difíceis de escalar.

Agora, pesquisa de Angela Belcher, chefe do Departamento de Engenharia Biológica do MIT, Membro do Koch Institute, e o professor James Crafts de Engenharia Biológica, e pós-doutorado Ching-Wei Lin, publicado online em Nature Communications , descreve uma solução simples para criar emissores de fóton único baseados em nanotubos de carbono, que são conhecidos como defeitos quânticos fluorescentes.

"Agora podemos sintetizar rapidamente esses defeitos quânticos fluorescentes em um minuto, simplesmente usando alvejante doméstico e luz, "Lin diz." E podemos produzi-los em grande escala facilmente. "

O laboratório de Belcher demonstrou este método incrivelmente simples com o mínimo de defeitos não fluorescentes gerados. Nanotubos de carbono foram submersos em água sanitária e irradiados com luz ultravioleta por menos de um minuto para criar os defeitos quânticos fluorescentes.

A disponibilidade de defeitos quânticos fluorescentes a partir deste método reduziu muito a barreira para traduzir estudos fundamentais para aplicações práticas. Enquanto isso, os nanotubos ficam ainda mais brilhantes após a criação desses defeitos fluorescentes. Além disso, a excitação / emissão desses nanotubos de carbono defeituosos é deslocada para a chamada região infravermelha de onda curta (900-1, 600 nm), que é uma janela ótica invisível que tem comprimentos de onda ligeiramente mais longos do que o infravermelho próximo regular. O que mais, operações em comprimentos de onda mais longos com emissores de defeitos mais brilhantes permitem que os pesquisadores vejam através do tecido de forma mais clara e profunda para imagens ópticas. Como resultado, as sondas ópticas baseadas em nanotubos de carbono com defeito (geralmente para conjugar os materiais de direcionamento a esses nanotubos de carbono com defeito) irão melhorar muito o desempenho de imagem, permitindo a detecção de câncer e tratamentos, como detecção precoce e cirurgia guiada por imagem.

O câncer foi a segunda causa de morte nos Estados Unidos em 2017. Extrapolado, isso chega a cerca de 500, 000 pessoas que morrem de câncer todos os anos. O objetivo do Laboratório Belcher é desenvolver sondas muito brilhantes que funcionem na janela ótica ideal para observar tumores muito pequenos, principalmente em cânceres de ovário e cérebro. Se os médicos puderem detectar a doença mais cedo, a taxa de sobrevivência pode ser significativamente aumentada, de acordo com as estatísticas. E agora o novo defeito quântico fluorescente brilhante pode ser a ferramenta certa para atualizar os sistemas de imagem atuais, olhando para tumores ainda menores através da emissão do defeito.

"Demonstramos uma visualização clara da estrutura da vasculatura e dos sistemas linfáticos usando 150 vezes menos quantidade de sondas em comparação com a geração anterior de sistemas de imagem, "Belcher diz, "Isso indica que avançamos um passo em direção à detecção precoce do câncer."

Em colaboração com colaboradores da Rice University, pesquisadores podem identificar pela primeira vez a distribuição de defeitos quânticos em nanotubos de carbono usando um novo método de espectroscopia chamado espectroscopia de variância. Este método ajudou os pesquisadores a monitorar a qualidade do defeito quântico contido em nanotubos de carbono e encontrar os parâmetros sintéticos corretos mais facilmente.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.