Quantum computing en quantumcryptografie zullen naar verwachting veel hogere mogelijkheden bieden dan hun klassieke tegenhangers. Het rekenvermogen in een kwantumsysteem kan bijvoorbeeld groeien met een dubbele exponentiële snelheid in plaats van een klassieke lineaire snelheid vanwege de verschillende aard van de basiseenheid, de qubit (quantumbit). Verstrikte deeltjes maken de onbreekbare codes mogelijk voor veilige communicatie. Het belang van deze technologieën motiveerde de Amerikaanse regering om de National Quantum Initiative Act vast te stellen, die de komende vijf jaar $ 1.2 miljard autoriseert voor het ontwikkelen van kwantuminformatiekunde.

Enkele fotonen kunnen voor deze toepassingen een essentiële qubit-bron zijn. Om praktisch gebruik te bereiken, moeten de afzonderlijke fotonen zich in de telecomgolflengten bevinden, die variëren van 1,260-1,675 nanometer, en het apparaat moet functioneel zijn bij kamertemperatuur. Tot op heden bezit slechts één enkel fluorescent kwantumdefect in koolstofnanobuisjes beide kenmerken tegelijkertijd. De precieze creatie van deze afzonderlijke defecten werd echter belemmerd door bereidingsmethoden die speciale reactanten vereisen, moeilijk te beheersen zijn, langzaam voortgaan, niet-emissieve defecten genereren of een uitdaging vormen om te schalen.

Nu, onderzoek van Angela Belcher, hoofd van de MIT-afdeling van Biologicial Engineering, lid van het Koch Institute, en de James Crafts Professor of Biological Engineering, en postdoc Ching-Wei Lin, online gepubliceerd in Natuurcommunicatie, beschrijft een eenvoudige oplossing om op koolstof-nanobuisjes gebaseerde single-foton-emitters te maken, die bekend staan ​​als fluorescerende kwantumdefecten.

"We kunnen deze fluorescerende kwantumdefecten nu snel binnen een minuut synthetiseren, gewoon met bleekmiddel en licht voor huishoudelijk gebruik", zegt Lin. "En we kunnen ze gemakkelijk op grote schaal produceren."

Het laboratorium van Belcher heeft deze verbazingwekkend eenvoudige methode aangetoond met minimale niet-fluorescerende defecten. Koolstofnanobuisjes werden ondergedompeld in bleekmiddel en vervolgens minder dan een minuut bestraald met ultraviolet licht om de fluorescerende kwantumdefecten te creëren.

De beschikbaarheid van fluorescerende kwantumdefecten van deze methode heeft de drempel voor het vertalen van fundamentele studies naar praktische toepassingen aanzienlijk verminderd. Ondertussen worden de nanobuisjes nog helderder na het ontstaan ​​van deze fluorescerende defecten. Bovendien wordt de excitatie / emissie van deze defecte koolstofnanobuisjes verschoven naar het zogenaamde kortegolf-infraroodgebied (900-1,600 nm), een onzichtbaar optisch venster met iets langere golflengten dan het gewone nabij-infrarood. Bovendien kunnen onderzoekers op langere golflengten met helderdere defecte emitters onderzoekers door het weefsel heen duidelijker en dieper laten kijken voor optische beeldvorming. Dientengevolge zullen de defecte op koolstof nanobuisjes gebaseerde optische sondes (meestal om de richtmaterialen aan deze defecte koolstof nanobuisjes te vervoeren) de beeldvormingsprestaties aanzienlijk verbeteren, waardoor kankerdetectie en behandelingen zoals vroege detectie en beeldgeleide operatie.

Kankers waren in 2017 de op één na belangrijkste doodsoorzaak in de Verenigde Staten. Geëxtrapoleerd komt dit neer op ongeveer 500,000 mensen die jaarlijks aan kanker overlijden. Het doel van het Belcher Lab is om zeer heldere sondes te ontwikkelen die werken bij het optimale optische venster om naar zeer kleine tumoren te kijken, voornamelijk op eierstokkanker en hersenkanker. Als artsen de ziekte eerder kunnen detecteren, kan het overlevingspercentage aanzienlijk worden verhoogd, volgens statistieken. En nu kan het nieuwe heldere fluorescerende kwantumdefect het juiste hulpmiddel zijn om de huidige beeldvormingssystemen te upgraden, waarbij door de defectemissie naar nog kleinere tumoren wordt gekeken.

"We hebben een duidelijke visualisatie van de vaatstructuur en lymfesystemen aangetoond met 150 keer minder sondes in vergelijking met de vorige generatie beeldvormingssystemen", zegt Belcher, "Dit geeft aan dat we een stap dichter bij de vroege detectie van kanker zijn gekomen."

In samenwerking met medewerkers van Rice University kunnen onderzoekers voor het eerst de distributie van kwantumdefecten in koolstofnanobuisjes identificeren met behulp van een nieuwe spectroscopiemethode, variantie-spectroscopie genaamd. Deze methode hielp de onderzoekers de kwaliteit van het kwantumdefect met koolstofnanobuisjes te volgen en de juiste synthetische parameters gemakkelijker te vinden.

Andere co-auteurs aan het MIT zijn onder meer afgestudeerd student biologische techniek Uyanga Tsedev, afgestudeerde materiaalkunde en ingenieur Shengnan Huang, evenals professor R. Bruce Weisman, Sergei Bachilo en Zheng Yu van Rice University.

Dit werk werd ondersteund door subsidies van het Marble Center for Cancer Nanomedicine, het Koch Institute Frontier Research Program, Frontier, de National Science Foundation en de Welch Foundation.