碳納米管為光學的量子密碼學和量子計算添磚加瓦

圖為用一個簡單的有機分子對碳納米管進行功能化，以在碳納米管上生成缺陷態位點。在缺陷態處改變電子結構，可以使室溫下的單光子在通信波長上進行發射。 圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

美國能源部（DOE）的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員與來自法國和德國的科學們正在聯手探索碳納米管作為量子信息處理所需的單光子發射器的潛能。他們將一篇分析這一領域進展的研究論文發表在本周出版的《自然材料》（Nature Materials）雜誌上。

該論文的作者之一、美國集成納米技術中心的科學家斯蒂芬多爾恩介紹道：「我們特別感興趣的是,在將納米管集成到光子腔中方面所取得的進展，這樣我們就可以操縱和優化光的發射特性了。此外，將納米管集成到電致發光器件中可以更好地控制發光時序，而將它們集成到光子結構中也是切實可行的。我們正在著重對碳納米管的缺陷態進行開發和光物理探測，研究使其成為在通信波長上的室溫單光子發射器的路徑。」

該團隊的研究概述是與身在巴黎的克利斯朵夫沃辛的研究小組合作完成的，他們目前正在推進關於將納米管集成到光子腔中以求改變光子腔發射率的研究。而身在德國卡爾斯魯厄市的拉爾夫克魯普克的小組正在嘗試將以納米管為基礎的電致發光器件和光子波導結構整合在一起。多爾恩說，洛斯阿拉莫斯的研究重點是對納米管缺陷態的分析，探索缺陷態將量子發射延伸至室溫環境中和通信波長內的可能性。

正如該論文中所指出的：「隨著高速信息網路的問世，光已經成為世界上主要的通信信息載體……在安全量子通信計量制或量子運算方案中，單光子源是各種通信技術的關鍵組成部分。 」單壁碳納米管在這一領域的應用一直是洛斯阿拉莫斯CINT研究小組關注的焦點，他們開發了一種利用化學方法修改納米管結構的方法，讓其生成刻意的缺陷態，進而定位激子並控制它們的釋放。

洛斯阿拉莫斯CINT團隊開發了化學修飾納米管結構以產生故意缺陷，定位激子並控制其釋放的能力。 Doorn指出，接下來的步驟涉及將納米管整合到光子諧振器中，以提供增加的光源亮度併產生不可區分的光子。 「我們需要創造出彼此無法區分的單光子，而且這要依靠我們的能力來管理非常適合器件集成的管子，並盡量減少與缺陷位點的環境相互作用，」他說。

多爾恩指出，接下來的研究重點在如何把納米管集成到光子共振器中，以求提供更高的源亮度和生成難以區分的光子。他說：「我們需要開發出彼此無法區分的單光子，而這依賴於我們對非常適合用於設備集成的碳納米管進行功能化、並將缺陷態位置與環境的相互作用最小化的水平和能力。」

文章來自於phys，原文題目為：Carbon nanotube optics poised to provide pathway to optical-based quantum cryptography and quantum computing，由科技在線團隊匯總整理

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