浙大科學家實現室溫下光子「單行」 量子通信要靠它

2020-11-23 浙江在線

2017-11-20 14:56 |浙江新聞客戶端 |記者 曾福泉 通訊員 周煒 朱原之

高品質的單光子源是實現光量子信息技術的基礎——它在確定的時間內最多發射一個光子，光子「單行」，才能實現量子通信、光量子計算機等新一代技術所依賴的量子效應。浙江大學光電學院方偉與化學系金一政、彭笑剛合作，首次實現了室溫下基於膠體量子點的電驅動高純度單光子源，為研發實用化、集成化的單光子源開闢出一條新路。

相關研究論文近日發表於《自然通訊》（Nature Communications）。論文第一作者為博士生林星、戴興良、濮超丹。

單光子源與我們日常所見的傳統光源大為不同。方偉副教授的實驗室主頁上寫著一句話：「太陽用連續的光譜展示多彩的天地萬物，我們用一兩個光子探索神奇的量子世界。」太陽光、電燈等發出的都是「抱團」的光子，而單光子源在確定的時間內最多發射一個光子。

設計製造出可集成化、使用方便的理想的單光子源一直是科學家們追求的目標。在凝聚態領域，目前主流的方法有自組織量子點與金剛石色心等兩種體系，但面向實際應用，仍然充滿著局限與巨大挑戰。2014年起，方偉、金一政、彭笑剛等學者聯手，另闢蹊徑，嘗試用膠體量子點來製造新型的單光子源。

單光子源結構示意圖

光是能量的一種形式，當物質中的電子從一個高能級躍遷到一個相對較低的空能級，能量就會被釋放——如果這份能量以光的形式表現出來，就會看到這個物質在發光。在半導體材料中，如果電子掉進空能級的空穴，就會發出光子，這被稱為「電子空穴複合」。為了保證一個較高的複合效率，科研人員常會提供一個複合介質，也就是「發光材料」。在這類材料裡安排電子和空穴「相親」，成功機率會大大提高。學名叫「可溶的無機半導體納米晶」，簡稱為溶液納米晶的量子點，正是非常優異的發光介質，只要電子和空穴一對一的進入到量子點，就會複合發光，發光量子效率可以高達100%。

膠體量子點是一種已知的發光性能極好的納米晶體材料。科學家需要實現的目標是：如何讓單個的量子點在室溫下通過電激發，高效地發出一個光子。由於通常狀態下，半導體材料中的電子比空穴「跑」得快得多，想要在單個量子點中製造和諧的「複合」，必須想辦法平衡兩者速率。

浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室裡，記者看到了一片片指甲蓋大小的透明器件，厚度不到一毫米的結構中，包含了科學家巧妙的設計：他們將單個的膠體量子點用絕緣層包裹起來。這個絕緣層放慢了電子的「步伐」，同時也阻止了電子與空穴的直接複合而產生「雜光」。在2.6v電壓的驅動下，單個的膠體量子點成功被激發，屏幕上看到的針尖大小的亮點，正是膠體量子點發出的一個個「單行」的光子。這一巧妙的設計，成功保證了高純度單光子的產生。

在顯微鏡下觀察到的電驅動量子點螢光，每個亮點代表單個量子點

方偉介紹，製備新型量子光源不需要苛刻工作環境，樣品的製備可以通過便捷的溶液旋塗法完成的。在光量子技術實用化、集成化的需求面前，這一新型光源純度高、製備工藝簡單、工作電壓低等特徵展現出了特別的優勢。研究團隊認為，隨著目前膠體量子點合成技術的快速發展，他們將進一步改進技術路線，並有信心為真正實現量子信息應用做出貢獻。

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