量子技术新突破：碳纳米管成为新兴量子光源

导读

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员与法国及德国的合作伙伴们一起探索碳纳米管更多的潜能，将它作为量子信息处理所用的单光子发射器。

背景

在传统信息网络中，信息以“比特位”（Bit）的形式流动，用电子电路进行处理和调制，并通过光脉冲传输。这些光脉冲通过光纤在网络中以最低的信号损失传递信息。

然而，量子信息网络采用的并不是比特位，而是量子位（Qubit），来处理和存储量子信息。不同于经典网络，不同节点之间的量子信息传输采用的是单光子，而不是强烈的光脉冲。

（图片来源： ICFO/Scixel）

所以，良好的单光子源对于量子信息处理与通信来说非常重要。顾名思义，单光子源就是在规定时间内最多发射一个光子的光源。然而，传统的光源，例如太阳光、电灯等，发射的都是“抱团”的光子。

创新

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员与法国及德国的合作伙伴们一起探索碳纳米管更多的潜能，将它作为量子信息处理所用的单光子发射器。

如下图所示，通过功能化修饰简单有机分子纳米管产生的碳纳米管缺陷位点，改变缺陷的电子结构将带来室温条件下电信波长的单光子发射。

（图片来源：LANL）

他们对于该领域进展的分析发表于这周出版的《自然材料（ Nature Materials）》期刊。

技术

洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心（CINT）的科学家、论文作者之一 Stephen Doorn 表示：“我们特别感兴趣的进展是将纳米管集成光学腔体中，操控并优化发光特性。此外，将纳米管集成到电致发光设备中，可以更好地控制发光时序，而且它们也可以合理地集成到光学结构中。我们强调对于碳纳米管缺陷状态的开发和光物理探测，可以带来室温条件下电信波长的单光子发射器。”

团队与他们法国巴黎的同事 Christophe Voisin 以及德国卡尔斯鲁厄的同事 Ralph Krupke 进行了合作。Christophe Voisin 促进了纳米管与光学腔体的集成，从而改变发光速率；Ralph Krupke 正在将基于纳米管的电致发光设备与光学波导结构相结合；洛斯阿拉莫斯国家实验室专注于分析纳米管的缺陷，推进室温和通信波长条件下的量子发射。

在这个领域采用单壁碳纳米管，一直是洛斯阿拉莫斯国家实验室CINT团队研究的重点。他们开发出通过化学方法修改纳米管结构的能力，有意地制造缺陷，局部化激子并控制它们的释放。

价值

Doorn 表示：“除了定义最先进的技术，我们想要强调未来将会遇到的挑战，并展示这个领域未来最有前景的发展方向。最终，我们希望吸引更多的科研人员投入到这个领域中来。”

未来

Doorn 表示，接下来的步骤，包括将纳米管集成到光学谐振器中，增强光源亮度并产生难以区分的光子。他说：“我们要创造出相互之间难以区分的单光子，这依赖于我们功能化这些管子的能力，使它们适合设备集成，并最小化缺陷位点与环境之间的交互。”

关键字

量子技术、量子通信、碳纳米管、光子

参考资料

【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