可調諧量子光源

了解量子世界的細節 - 電子和光量子（多個光子）- 可以從根本上改善計算機和感測器。製造統治量子世界的器件的關鍵組件是發射常規單光子流的光源。

綜合納米技術中心的科學家們及其同事們在化學上對碳原子的微小管子進行了修飾。這些經過修飾的碳原子的管是第一種在室溫和通信波長下發射單光子的材料。目前尚沒有其他材料系統能夠同時滿足這兩個關鍵操作條件（Nature Photonics, 「Tunable room-temperature single-photon emission at telecom wavelengths from sp3 defects in carbon nanotubes」）。

該示意圖顯示了當被綠光激發時從化學修飾的碳納米管發射單個光子（紅色）。（圖片來源：Xiaowei He，綜合納米技術中心，洛斯阿拉莫斯）

這些功能的重要組合使得利用量子世界的設備與現有光網路集成成為一種非常接近現實的可能。也就是說，允許超安全數據加密的碳納米管可以用於當今的通信網路。碳納米管也可以集成到更靈敏的感測器和未來的量子計算機的設備中。

將基於光纖的量子信息技術集成到現有光網路中的能力將成為量子通信中應用的重要一步。為了實現這一點，量子光源必須能夠在通信波長和室溫下發射單光子。

儘管進行了二十年的研究工作，但迄今為止，這些功能的組合仍是難以捉摸的。一些系統（例如，自組裝量子點）以通信波長發射但需要低溫冷卻。其他系統（例如鑽石氮空位中心）在室溫下工作，但只能在可見光譜範圍內發射單光子。

納米技術綜合中心的科學家們及其合作夥伴已經製造出具有這兩個關鍵特徵的功能化的碳納米管。碳納米管先前已被確定為有前景的量子光源；然而，它們產生的不穩定的光子發射仍是有問題的。

綜合納米技術中心的科學家發現的答案是通過芳基重氮化反應對納米管進行化學修飾。這導致了納米管的缺陷，這些缺陷允許在室溫和通信波長下可控的發射單光子。該團隊還表明，發射波長是可調的。正如可以調節小提琴弦的張力和長度以實現不同的頻率一樣，功能化的碳納米管的直徑可以變化以產生不同的發射波長。

這些結果不僅對基礎科學具有重要意義，包括功能化學和量子計量學，但也為量子技術的激動人心的發展打開了大門。

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