实现光子精密调控，室温量子通信或成可能

通过激光引导制备技术，研究人员成功将单个量子光源嵌入碳纳米管。

光已通过光纤在全球传递电话、视频和电子邮件，但这种看似平常的光还蕴含着更深层的量子特性，有望彻底改变通信方式。若能用单个光子传输信息，即可构建几乎无法被破解的通信系统。然而挑战在于，如何在现实条件下稳定产生这些单光子。

近日，日本研究团队取得突破。他们使碳纳米管在室温下、且工作在现有通信波段时，能从一个精确选定的位置发射单个光子。

难以预测的光子难题

要实现量子通信，光源必须逐个发射光子，而非随机成簇发射。虽然多种材料具备单光子发射能力，但大多需要极低温等严苛条件。碳纳米管（由碳原子构成的微型管状结构）的独特之处在于，它能在实用温度和波长下发射单光子，因而对实际器件极具吸引力。

然而，碳纳米管一直存在一个棘手问题：其管身可能产生多个发光点，且科学家难以控制发光点的数量和位置。若缺乏精准控制，发光会变得不可预测，这无法满足量子技术的要求。此前，尚无方法能在纳米管指定位置可靠地制造单一发光点。

让碳纳米管发射单光子

加藤及其团队通过结合精密制备与实时监测解决了这一难题。他们首先将单根碳纳米管悬架于仅数微米宽的沟槽上，该结构能隔离纳米管并更易控制其管身反应。随后，使纳米管暴露于碘苯蒸汽中——这种化学品在适当条件下可与碳发生反应。

关键步骤接踵而至：研究人员将紫外激光束聚焦于纳米管的特定点位。紫外光触发纳米管与碘苯分子的反应，在碳结构中制造出微小的缺陷。这种被称为"色心"的缺陷是一种精心设计的量子缺陷，它能捕获激子（电子-空穴束缚对），并以单光子形式释放能量，从而成为纳米管的量子光源。

为确保只形成一个色心，团队持续监测纳米管的发光信号。一旦检测到标志色心形成的光强变化，便立即终止反应。研究作者指出："通过监测光致发光光谱中的离散强度变化，我们实现了对单个色心形成的精准控制。"这种精确的时序控制避免了额外缺陷的产生。

此外，通过移动激光束，他们可以选择色心的形成位置，将其精度控制在约1微米内。研究作者补充道："这一控制水平为开发原子级精确定义的技术铺平了道路，未来可实现在室温下、通信波段内运行的规模化量子光子电路。"

迈向芯片化集成

该进展使得碳纳米管可直接集成到现有光纤网络中。长远来看，此类器件有望构建超安全通信系统，任何窃听信号的尝试都会被即时察觉。

但要可靠量产大量相同的单光子发射器仍需时间与努力。将纳米管集成到芯片上的复杂光子电路中是另一大挑战。不过，研究团队已着眼未来，下一步目标是开发芯片化器件。加藤表示："我们希望将其集成到芯片上的光子电路中，一旦制成芯片，便能与光子器件制造商探讨实际应用。"

该研究成果已发表于《纳米快报》期刊。

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