碳纳米管为量子信息技术另辟蹊径

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把单壁碳纳米管引入到二氧化硅基体中可能会产生单个掺杂状态的氧原子，它能在无干扰、室温下，发射波长为1100-1300nm的范围内单光子。这种材料在光子、电浆子、光电子和量子信息科学运用方面有巨大的前景。


在光通讯系统中，关键信息以激光脉冲的方式在一个用户账号和国家安全数据库之间相互传输。但是由于激光脉冲散射电子（光电子），因此，以这种方式传递，信息可能会被窃取。这种窃取可以通过对单光子在量子力学状态（例如，偏振态）的信息进行编码来防止。产生所需单光子是实现这种通讯方式的关键。


通过把原始的单壁碳纳米管引入到二氧化硅基体中可能会产生单个掺杂状态的氧原子，它能在无干扰、室温下发射单光子。美国洛斯阿拉莫斯的研究者揭示了一种产生单光子的新途径。


从激光器中发射的光子会随机分散。因此，两个或者更多的光子可能同时发射。单光子真正的产生需要在一个激励发射循环中仅仅产生一个光子的独立量子力学二能级系统。满足量子通讯材料的技术包括：室温下，产生通讯波波长为1300-1500nm范围之间单光子的能力和与硅微加工相结合的能力，以便实现电刺激和同电子或光学网络组件的集成。早期研究揭示了碳纳米管在量子通信使用方面的技术挑战：1）这类材料仅仅在低温下能发射单电子；2）无效的发射能够产生强烈的干扰和降级。


实验室的新研究表明：把原始的碳纳米管引入到二氧化硅基体结构中可能会产生掺杂状态的单个氧原子，这种状态的氧原子能够在无干扰，室温条件下，发射入射波长为1100-1300nm的范围内的单光子。


掺杂单氧的碳纳米管包裹于SiO2层，此SiO2层沉积在Si薄片的表面。这表明，我们有可能利用成熟的微电子加工技术来促进电力驱动单光子源技术的发展。除了在量子通讯技术方面的应用，纳米管基单光子源可使包括超敏吸收测量、不完全衍射成像和量子线性计算在内的量子转换技术成为可能。这种材料在光子、电浆子、光电子和量子信息科学运用方面有巨大的前景。


通过使用最先进的光子探测器，该团队测得两个连续光子发射的时间分布，并证实了单光子的发射。除此之外，该团队调查了温度对单壁碳纳米管光致发光发射效率、光波动以及氧掺杂剂的衰变动力学的影响。研究者得出了最适合观测单光子发射的条件。原则上，通过掺杂小带隙的单层碳纳米管可以调整光致发光的入射光波长达1500nm。与其他材料相比，它的独特优势是仅仅在少量波长短于1μm的离散波入射下就能发射单光子。


该研究结果已经发表在 Nature Nanotechnology 上。
（材料人）