新型量子光源：為光學量子計算機鋪路！

背景

之前，芯片上的電路以電子作為信息載體。未來，以光速傳遞信息的光子將可以在光學電路上完成這項任務。到那時，連接量子光纖電纜和探測器的量子光源，將成為這些新型芯片的基本構件。

創新

近日，德國慕尼黑工業大學（TUM）物理學家亞歷山大·霍萊特納（Alexander Holleitner）與喬納森·芬利（Jonathan Finley）領導的國際團隊在原子薄度的材料層中成功地創造出這種量子光源，並以納米精度安放它們。

下圖所示：二硫化鉬層中的缺陷，由氦離子轟擊產生，可成為量子技術的納米光源。

技術

這項研究的領導作者朱利安·克萊恩（Julian Klein）表示：“這被認為是朝著光學量子計算機邁出的關鍵性的第一步。因為對於未來應用來說，光源必須與光子電路（例如波導）連接在一起，從而實現光基量子計算。”

這裡的關鍵點在於，精準可控地安放光源。雖然研究人員可以在傳統的三維材料例如金剛石或矽中創造出量子光源，但是這些量子光源卻無法精確地安放在這些材料中。

物理學家們採用一層半導體二硫化鉬（MoS2）作為原料，這種材料只有三個原子的厚度。他們採用氦離子束照射該材料，離子束被他們聚焦到小於一納米的表面區域上。

為了生成具有光學活性的缺陷，即我們期望的量子光源，鉬或硫原子被從層中精確地“轟擊”出來。缺陷就是被稱為“激子（電子空穴對）”的陷阱，然後它們會激發出我們期望的光子。

沃爾特·肖特基研究所納米技術與納米材料中心的新型氦離子顯微鏡能以無與倫比的橫向分辨率照射這種材料。從技術角度講，這種新型氦離子顯微鏡對於這項研究來說是最重要的。

該團隊與慕尼黑工業大學、馬克斯·普朗克學會、不來梅大學的研究人員開發出一個模型，這個模型也從理論上描述了缺陷處所觀察到的能量狀態。

未來，研究人員們也想要創造出更加複雜的光源模式，例如在橫向的二維晶體結構中，從而也可以研究多激子現象或者奇異的材料特性。

這是一個通往長久以來只在所謂的“Bose-Hubbard模型”理論中描述的世界的實驗手段，該模型試圖解釋固體中的複雜過程。

價值

進展不僅會出現在理論中，也可能出現在技術開發中。因為光源總是會在材料中擁有同樣的潛在缺陷，所以它們在理論上是無法區分的。這樣就會帶來基於糾纏這一量子力學原理的應用。

克萊恩表示：“我們的量子光源有可能會非常優雅地集成到光子電路中。由於靈敏度高，我們將可以為智能手機打造量子傳感器，並為數據通信開發極度安全的加密技術。”

關鍵字

二硫化鉬、量子技術、光學

參考資料

【1】J. Klein, M. Lorke, M. Florian, F. Sigger, L. Sigl, S. Rey, J. Wierzbowski, J. Cerne, K. Müller, E. Mitterreiter, P. Zimmermann, T. Taniguchi, K. Watanabe, U. Wurstbauer, M. Kaniber, M. Knap, R. Schmidt, J. J. Finley, A. W. Holleitner.Site-selectively generated photon emitters in monolayer MoS2 via local helium ion irradiation. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-10632-z

【2】http://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/details/35627/