碳纳米管为光学的量子密码学和量子计算保驾护航

图为用一个简单的有机分子对碳纳米管进行功能化，以在碳纳米管上生成缺陷态位点。在缺陷态处改变电子结构，可以使室温下的单光子在通信波长上进行发射。图片来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

美国能源部（DOE）的洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员与来自法国和德国的科学们正在联手探索碳纳米管作为量子信息处理所需的单光子发射器的潜能。他们将一篇分析这一领域进展的研究论文发表在本周出版的《自然材料》（Nature Materials）杂志上。

该论文的作者之一、美国集成纳米技术中心的科学家斯蒂芬多尔恩介绍道：“我们特别感兴趣的是,在将纳米管集成到光子腔中方面所取得的进展，这样我们就可以操纵和优化光的发射特性了。此外，将纳米管集成到电致发光器件中可以更好地控制发光时序，而将它们集成到光子结构中也是切实可行的。我们正在着重对碳纳米管的缺陷态进行开发和光物理探测，研究使其成为在通信波长上的室温单光子发射器的路径。”

该团队的研究概述是与身在巴黎的克利斯朵夫沃辛的研究小组合作完成的，他们目前正在推进关于将纳米管集成到光子腔中以求改变光子腔发射率的研究。而身在德国卡尔斯鲁厄市的拉尔夫克鲁普克的小组正在尝试将以纳米管为基础的电致发光器件和光子波导结构整合在一起。多尔恩说，洛斯阿拉莫斯的研究重点是对纳米管缺陷态的分析，探索缺陷态将量子发射延伸至室温环境中和通信波长内的可能性。

正如该论文中所指出的：“随着高速信息网络的问世，光已经成为世界上主要的通信信息载体……在安全量子通信计量制或量子运算方案中，单光子源是各种通信技术的关键组成部分。 ”单壁碳纳米管在这一领域的应用一直是洛斯阿拉莫斯CINT研究小组关注的焦点，他们开发了一种利用化学方法修改纳米管结构的方法，让其生成刻意的缺陷态，进而定位激子并控制它们的释放。

洛斯阿拉莫斯CINT团队开发了化学修饰纳米管结构以产生故意缺陷，定位激子并控制其释放的能力。 Doorn指出，接下来的步骤涉及将纳米管整合到光子谐振器中，以提供增加的光源亮度并产生不可区分的光子。 “我们需要创造出彼此无法区分的单光子，而且这要依靠我们的能力来管理非常适合器件集成的管子，并尽量减少与缺陷位点的环境相互作用，”他说。

多尔恩指出，接下来的研究重点在如何把纳米管集成到光子共振器中，以求提供更高的源亮度和生成难以区分的光子。他说：“我们需要开发出彼此无法区分的单光子，而这依赖于我们对非常适合用于设备集成的碳纳米管进行功能化、并将缺陷态位置与环境的相互作用最小化的水平和能力。”

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