量子照明：先进设备可产生单光子并用于编码信息

互推小编 2024-01-31

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的研究人员开发出一种新技术，可以产生对量子信息和通信至关重要的圆偏振单光子流。他们利用原子级薄材料证明，单层半导体可以在没有外部磁场的情况下发射圆偏振光。研究小组利用纳米级的压痕实现了这一目标，从而向量子加密、通信和潜在的超安全量子互联网迈出了关键的一步。

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的科学家团队将两种不同的原子薄材料堆叠在一起，实现了一种手性量子光源。这种量子光发射器的新方法可产生圆偏振单光子流或光粒子流，可用于一系列量子信息和通信应用。

洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家 Han Htoon 说："我们的研究表明，单层半导体有可能在没有外部磁场的帮助下发射圆偏振光。以前只有通过大型超导磁体产生的高磁场、将量子发射器与非常复杂的纳米级光子学结构耦合或向量子发射器注入自旋偏振载流子才能实现这种效果，而我们的近程效应方法具有低成本制造和可靠性高的优势"。

偏振态是对光子进行编码的一种手段，因此这一成果是朝着量子密码学或量子通信方向迈出的重要一步。有了一个既能产生单光子流又能引入偏振的光源，基本上就把两种设备合二为一了。

手性量子光发射是在两种不同层状材料（一种单层半导体和一种反铁磁晶体）的叠层中形成的，从材料中升起，可用于量子信息和通信应用。资料来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

压痕是光致发光的关键

正如发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上的一篇论文所描述的，研究团队在集成纳米技术中心（Center for Integrated Nanotechnologies）工作，将单分子厚的二硒化钨半导体层堆叠在更厚的三硫化镍磷磁性半导体层上。博士后助理研究员李向志利用原子力显微镜在这层薄薄的材料上制造出了一系列纳米级的压痕。这些压痕的直径约为400纳米，因此200多个这样的压痕可以很容易地穿过一根头发的宽度。

事实证明，当激光聚焦在这堆材料上时，原子显微镜工具产生的压痕会产生两种效果。首先，压痕在势能图中形成了一个井或凹陷。二硒化钨单层的电子落入凹陷处。这刺激了井中单光子流的发射。

纳米压痕还破坏了底层三硫化二磷镍晶体的典型磁性，产生了一个局部磁矩，从材料中指向上方。该磁矩使发射的光子产生圆极化。为了在实验中证实这一机制，研究小组首先与位于洛斯阿拉莫斯的国家高磁场实验室脉冲磁场设备合作，进行了高磁场光学光谱实验。然后，研究小组与瑞士巴塞尔大学合作测量了局部磁矩的微小磁场。

实验证明，研究小组成功地展示了一种控制单光子流偏振态的新方法。

量子信息编码

研究小组目前正在探索如何通过施加电刺激或微波刺激来调节单光子的圆偏振程度。这种能力将提供一种将量子信息编码到光子流中的方法。

进一步将光子流耦合到波导--光的微观管道--将提供允许光子单向传播的光子电路。这种电路将成为超安全量子互联网的基本构件。

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