可調(diào)諧單光子發(fā)射器可實現(xiàn)量子信息處理

 據(jù)外媒報道，科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出能夠在室溫和通信波長下實現(xiàn)單光子發(fā)射的碳納米管量子發(fā)光體。這些發(fā)射器可用于處理光學(xué)量子信息和信息安全，以及感測、計量和成像等。

該項目成功的關(guān)鍵點是能夠迫使納米管沿著管的單個點發(fā)出光，尤其是在缺陷部位。關(guān)鍵是將缺陷能級限制在每個管一個缺陷能級，以便每次只能發(fā)射一個光子。為了達到如此高的控制度，研究人員利用重氮基化學(xué)法將有機分子與納米管的表面結(jié)合，作為缺陷部位。重氮反應(yīng)能夠控制引入苯類缺陷，降低對周圍環(huán)境中自然波動的敏感性。重氮基化學(xué)法還允許研究人員獲得納米管發(fā)射波長的固有可調(diào)性。

來自美國新墨西哥州洛薩拉摩斯國家實驗室的研究人員認(rèn)為，已經(jīng)生成了通過使用化學(xué)功能化的碳納米管，在室溫和通信波長下能夠?qū)崿F(xiàn)單光子發(fā)射的首個材料。這些量子光發(fā)射器對于基于光學(xué)的量子信息處理和信息安全、超靈敏感測、計量學(xué)和成像需求以及量子光學(xué)研究的光子源十分重要。

圖片來源：美國新墨西哥州洛薩拉摩斯國家實驗室

在此次實驗中，在單壁碳納米管中共價引入缺陷位點的激子局域化提供了一種具有超高單光子純度(99%)的室溫單光子發(fā)射和增強的接近拋物線噪聲極限的發(fā)射穩(wěn)定性的途徑。

研究人員進一步表明，存在于其結(jié)構(gòu)多樣性中的單壁碳納米管的固有光學(xué)可調(diào)性促進了跨越整個通信頻段的室溫單光子發(fā)射的產(chǎn)生。在研究中使用的最大納米管直徑(0.936nm)，實現(xiàn)了深入通信C頻帶(1.55μm)中心的單光子發(fā)射。

大多數(shù)通過其他量子發(fā)射方法產(chǎn)生的波長對于通信應(yīng)用來說太短了。通過選擇適當(dāng)直徑的納米管，該研究團隊能夠?qū)蝹€光子發(fā)射調(diào)諧到適當(dāng)?shù)耐ㄐ挪ㄩL區(qū)域。

美國新墨西哥州洛薩拉摩斯國家實驗室項目負(fù)責(zé)人Stephen Doorn表示：“理想情況下，單個光子發(fā)射器能提供室溫運行和通信波長的發(fā)射，但這仍然是一個難以實現(xiàn)的目標(biāo)。到目前為止，可以在這些波長中作為單光子發(fā)射體的材料必須被冷卻到液氦溫度，因此它們不太適用于最大限度運用或其他科研目的。

功能化碳納米管具有進一步發(fā)展的前景，包括官能化化學(xué)的進步;整合到光子、等離子體激元和超材料結(jié)構(gòu)中，以進一步控制量子發(fā)射特性;實現(xiàn)安裝到不同應(yīng)用的電動器件和光學(xué)電路中。