量子技術新突破：碳納米管成為新興量子光源！

導讀

近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員與法國及德國的合作夥伴們一起探索碳納米管更多的潛能，將它作為量子信息處理所用的單光子發射器。

背景

在傳統信息網路中，信息以「比特位」（Bit）的形式流動，用電子電路進行處理和調製，並通過光脈衝傳輸。這些光脈衝通過光纖在網路中以最低的信號損失傳遞信息。

然而，量子信息網路採用的並不是比特位，而是量子位（Qubit），來處理和存儲量子信息。不同於經典網路，不同節點之間的量子信息傳輸採用的是單光子，而不是強烈的光脈衝。

（圖片來源： ICFO/Scixel）

所以，良好的單光子源對於量子信息處理與通信來說非常重要。顧名思義，單光子源就是在規定時間內最多發射一個光子的光源。然而，傳統的光源，例如太陽光、電燈等，發射的都是「抱團」的光子。

創新

近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員與法國及德國的合作夥伴們一起探索碳納米管更多的潛能，將它作為量子信息處理所用的單光子發射器。

如下圖所示，通過功能化修飾簡單有機分子納米管產生的碳納米管缺陷位點，改變缺陷的電子結構將帶來室溫條件下電信波長的單光子發射。

（圖片來源：LANL）

他們對於該領域進展的分析發表於這周出版的《自然材料（ Nature Materials）》期刊。

技術

洛斯阿拉莫斯國家實驗室集成納米技術中心（CINT）的科學家、論文作者之一 Stephen Doorn 表示：「我們特別感興趣的進展是將納米管集成光學腔體中，操控並優化發光特性。此外，將納米管集成到電致發光設備中，可以更好地控制發光時序，而且它們也可以合理地集成到光學結構中。我們強調對於碳納米管缺陷狀態的開發和光物理探測，可以帶來室溫條件下電信波長的單光子發射器。」

團隊與他們法國巴黎的同事 Christophe Voisin 以及德國卡爾斯魯厄的同事 Ralph Krupke 進行了合作。Christophe Voisin 促進了納米管與光學腔體的集成，從而改變發光速率；Ralph Krupke 正在將基於納米管的電致發光設備與光學波導結構相結合；洛斯阿拉莫斯國家實驗室專註於分析納米管的缺陷，推進室溫和通信波長條件下的量子發射。

在這個領域採用單壁碳納米管，一直是洛斯阿拉莫斯國家實驗室CINT團隊研究的重點。他們開發出通過化學方法修改納米管結構的能力，有意地製造缺陷，局部化激子並控制它們的釋放。

價值

Doorn 表示：「除了定義最先進的技術，我們想要強調未來將會遇到的挑戰，並展示這個領域未來最有前景的發展方向。最終，我們希望吸引更多的科研人員投入到這個領域中來。」

未來

Doorn 表示，接下來的步驟，包括將納米管集成到光學諧振器中，增強光源亮度併產生難以區分的光子。他說：「我們要創造出相互之間難以區分的單光子，這依賴於我們功能化這些管子的能力，使它們適合設備集成，並最小化缺陷位點與環境之間的交互。」

關鍵字

量子技術、量子通信、碳納米管、光子

參考資料

【1】http://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2018/June/0618-carbon-nanotubes.php?source=newsroom

【1】X. He, H. Htoon, S. K. Doorn, W. H. P. Pernice, F. Pyatkov, R. Krupke, A. Jeantet, Y. Chassagneux, C. Voisin. Carbon nanotubes as emerging quantum-light sources. Nature Materials, 2018; DOI: 10.1038/s41563-018-0109-2

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！