基于碳纳米管的量子光源

日本理化学研究所（RIKEN）的研究人员成功以确定性方式制备出一种碳纳米管，这类微小的碳质管状材料仅能从其长度方向的单一固定点发射单光子。该类型碳纳米管有望成为未来光基量子技术的核心基础。

目前，光已被广泛应用于通过光纤进行长距离数据传输。而若能充分利用其量子特性，将带来多项优势，其中包括前所未有的通信安全性，第三方的任何窃听行为都能被及时检测到。

这类量子通信技术需要单次仅发射一个光子的光源。现有多种系统可实现这一功能，但在其中，碳纳米管被认为是最具应用前景的材料。

理化学研究所先进光子学中心的Yuichiro Kato解释道，“碳纳米管是唯一能在室温下发射单光子，且发射波长与电信通信所用波长相匹配的量子发射器，这一特性使其在实际应用中极具吸引力。”

然而，碳纳米管存在两大技术难题：一是难以控制其长度方向上发射单光子的位点数量；二是难以精准确定这些发光位点在碳纳米管上的具体位置。如今，Kato团队已成功攻克这两大难题，制备出仅从单一固定位点发射单光子，且该位点位置可精准调控的碳纳米管。

Kato指出，这一成果将制备精度提升至全新高度。“我们的研究已超越传统纳米技术的范畴，正迈入原子级精确定义技术的领域，在我看来，这极具突破性意义。”

通过紫外激光与碘苯分子引发光化学反应，在碳纳米管中制备 “色心” 的示意图

研究团队的制备方法如下：首先将碳纳米管悬空架设在仅数微米宽的沟槽上方，并使其暴露于碘苯蒸气环境中；随后，将一束紫外激光聚焦于碳纳米管上的特定单点。紫外光与碘苯的共同作用会在碳纳米管表面形成被称为 “色心” 的缺陷结构。

为确保碳纳米管上仅形成一个色心，研究团队会持续监测碳纳米管的发光情况。一旦检测到光信号出现特定变化（表明色心已形成），便立即终止反应。

通过精准控制激光在碳纳米管上的聚焦位置，研究团队能够将色心的形成位置误差控制在 1 微米以内。

Kato的终极目标是研发出集成单光子发射碳纳米管的功能器件。“我们希望将这些碳纳米管整合到芯片上的光子回路中，一旦完成芯片级集成，我们就可以与光子学制造商洽谈实际应用落地事宜。”