Nature子刊：研究人员为芯片上的量子发射器创建可扩展平台

家用灯泡发射出一股混乱的能量流，数以万亿计被称为“光子”的微小粒子向四面八方发生反射和散射。另一方面，量子光源就像光枪一样，每触发一个光子就会发射出一个光子，使它们能够携带对金融和国防等行业具有吸引力的防黑客数字信息技术。

现在，来自史蒂文斯理工学院和哥伦比亚大学的研究人员已经开发出一种可扩展的方法，用于在芯片上创建大量的量子光源。该方法具有前所未有的精度，不仅为不可破解的加密系统开发铺平道路，而且还能为量子计算机铺平道路。该方法还可在数秒内执行复杂的计算，而同等计算量下这将花费传统计算机数年的时间。

“对可扩展量子光源的研究已经进行了20年，最近已经成为国家的优先事项，”Stefan Strauf说道，他主持了这项工作，同时他也是史蒂文斯纳米光子实验室的主任。“这是首次有人能够在可扩展芯片上同时实现空间控制和高效率，所有这些都是实现量子技术的必需条件。”

该项工作其研究成果发表在期刊《自然纳米技术》“Nature Nanotechnology”—“单层WSe2中位点控制的量子发射体与等离子体纳米腔的确定性耦合”一文中，文中描述了一种在芯片任意位置按需创建量子光源的新方法。该方法是通过在由金制成的纳米立方体上拉伸半导体材料的原子薄膜，就像紧绷的保鲜膜一样，这种薄膜延伸到纳米粒子的各个角落，在那里形成单光子发射器。

过去所做的研究已经在规定位置测试了生产量子发射器的方法，但这些设计在触发单个光子时不具有可扩展性或者说是低效的，不足将其应用到实际。Strauf和他的团队通过将空间控制和可扩展性与按需高效发射光子的能力相结合，改变了现状。

为实现这些功能，Strauf的团队设计出一种独特的方法。该方法中，金纳米粒子具有双重用途：它将量子发射器印在芯片上，并在芯片周围充当天线。通过在金纳米粒子和镜面之间制造量子发射器，Strauf留下了一个5nm的窄缝—比一张纸的宽度小2万倍。

Strauf说：“镜子和纳米材料之间的微小空间产生了一个光学天线，将所有的光子送入5nm的空隙，从而集中了所有的能量。本质上讲，它提供了必要的推进，使单个光子能从指定位置和所需方向迅速发射出来。”

为进一步提高量子光源的效率，Strauf与哥伦比亚大学的Katayun Barmak和James Hone合作，他们开发出一种可培育出几乎没有缺陷的半导体晶体技术。利用这些独特的晶体，史蒂文斯理工学院的研究生Yue Luo通过将原子级厚的材料拉伸至纳米晶体上，在芯片上构建了一排排的量子发射器。纳米天线是通过在纳米眼镜的底部安装镜子而形成的。

结果每秒发射4200万个光子，创历史新高。换句话说，每个触发器每秒钟内都会按需产生一个光子。而在此之前，每100个触发器中只有一个是光子。

排放源虽然很小，但却异常稳定。Strauf 说：“它们的稳定性惊人。我们可以对其进行冷却或加热，拆开谐振器，重新组装，它们仍然可以工作。”大多数量子发射器必须保持冷冻温度为-273°C,但新技术使其工作温度提升至-70°C。“我们还没有达到室温，”Strauf说，“但目前实验表明达到这个温度是可行的。”

原文来自：nanowerk，原文题目：Researchers create scalable platform for on-chip quantum emitters，由材料科技在线团队编译。