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可调谐单光子发射器可实现量子信息处理

OFweek 光通讯网讯:据外媒报道,科学家已经研发出能够在室温和通信波长下实现单光子发射的碳纳米管量子发光体。这些发射器可用于处理光学量子信息和信息安全,以及感测、计量和成像等。

该项目成功的关键点是能够迫使纳米管沿着管的单个点发出光,尤其是在缺陷部位。关键是将缺陷能级限制在每个管一个缺陷能级,以便每次只能发射一个光子。为了达到如此高的控制度,研究人员利用重氮基化学法将有机分子与纳米管的表面结合,作为缺陷部位。重氮反应能够控制引入苯类缺陷,降低对周围环境中自然波动的敏感性。重氮基化学法还允许研究人员获得纳米管发射波长的固有可调性。

来自美国新墨西哥州洛萨拉摩斯国家实验室的研究人员认为,已经生成了通过使用化学功能化的碳纳米管,在室温和通信波长下能够实现单光子发射的首个材料。这些量子光发射器对于基于光学的量子信息处理和信息安全、超灵敏感测、计量学和成像需求以及量子光学研究的光子源十分重要。

                   图片来源:美国新墨西哥州洛萨拉摩斯国家实验室

在此次实验中,在单壁碳纳米管中共价引入缺陷位点的激子局域化提供了一种具有超高单光子纯度(99%)的室温单光子发射和增强的接近抛物线噪声极限的发射稳定性的途径。

研究人员进一步表明,存在于其结构多样性中的单壁碳纳米管的固有光学可调性促进了跨越整个通信频段的室温单光子发射的产生。在研究中使用的最大纳米管直径(0.936nm),实现了深入通信C频带(1.55μm)中心的单光子发射。

大多数通过其他量子发射方法产生的波长对于通信应用来说太短了。通过选择适当直径的纳米管,该研究团队能够将单个光子发射调谐到适当的通信波长区域。

美国新墨西哥州洛萨拉摩斯国家实验室项目负责人Stephen Doorn表示:“理想情况下,单个光子发射器能提供室温运行和通信波长的发射,但这仍然是一个难以实现的目标。到目前为止,可以在这些波长中作为单光子发射体的材料必须被冷却到液氦温度,因此它们不太适用于最大限度运用或其他科研目的。

功能化碳纳米管具有进一步发展的前景,包括官能化化学的进步;整合到光子、等离子体激元和超材料结构中,以进一步控制量子发射特性;实现安装到不同应用的电动器件和光学电路中。

该研究已经发表在了《自然光子学》杂志中。(文/Oscar译)


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