作者雷切尔·伯克维茨，劳伦斯·伯克利国家实验室 图为镀金探针尖端将电子注入原子级薄材料中仔细定位的缺陷
来自每个电子的能量导致单个光子的高度局域化发射，然后该光子可以被引导到检测器
信用:Ignacio Gaubert 安全的电信网络和快速的信息处理使现代生活成为可能
为了提供比目前更安全、更快、更高性能的信息共享，科学家和工程师正在设计利用量子物理规则的下一代设备
这些设计依靠单个光子在量子网络和量子芯片之间编码和传输信息
然而，用于产生单光子的工具还没有提供量子信息技术所需的精度和稳定性
现在，正如最近在《科学进展》杂志上报道的那样，研究人员发现了一种按需产生单一、相同光子的方法
通过在普通二维半导体材料的指定点上放置一个金属探针，由美国大学的研究人员领导的团队
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能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经通过电子方式触发了光子发射
光子的性质可以简单地通过改变施加的电压来调节
领导该项目的伯克利实验室分子铸造厂的工作人员科学家亚历克斯·韦伯-巴尔乔尼说:“在精确的点上演示电驱动的单光子发射，是探索可集成量子技术的一大进步。”
这项研究是材料量子相干新途径中心(NPQC)的一部分，该中心是能源部资助的一个能源前沿研究中心，其总体目标是找到保护和控制量子存储器的新方法，为量子计算技术的新材料和设计提供新的见解
光子是量子信息最强大的载体之一，可以长距离传播而不会失去记忆，也就是所谓的相干性
迄今为止，为大规模量子通信提供动力的大多数已建立的安全通信传输方案需要光源一次产生一个光子
每个光子必须有一个精确定义的波长和方向
伯克利实验室展示的新光子发射器实现了这种控制和精度
它可以用于在不同芯片上的量子处理器之间传输信息，并最终扩展到更大的处理器和连接世界各地复杂计算机的未来量子互联网
光子发射器基于普通的二维半导体材料(二硫化钨，WS2)，其晶体结构中去除了硫原子
仔细定位的原子缺陷，或称缺陷，是通过施加电流产生光子的一个点
挑战不是如何产生单个光子，而是如何使它们真正相同并按需产生它们
通过光刻技术制造的光子发射器件，如点亮QLED电视的半导体纳米粒子或“量子点”，受到固有可变性的影响，因为没有一个基于图案的系统可以完全等同于单个原子
与韦伯-巴尔乔尼合作的研究人员采取了不同的方法，在石墨烯片上生长薄膜材料
引入薄膜原子结构的任何杂质在整个样品中重复且相同
通过模拟和实验，研究小组确定了在哪里给原本均匀的结构引入缺陷
然后，通过在该位置施加电接触，他们能够触发材料发射光子，并利用施加的电压控制其能量
这样光子就可以把信息带到很远的地方
地图显示了施加电压时从薄膜材料发射的光子的强度和位置
学分:伯克利实验室 “单光子发射器就像一个终端，在那里，精心准备但脆弱的量子信息被发送到一个快速、坚固的盒子里，”布鲁诺·舒勒说，他是分子铸造厂的博士后研究员(现在是Empa——瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究科学家)，也是这项工作的主要作者
实验的关键是扫描隧道显微镜的镀金尖端，它可以精确地定位在薄膜材料的缺陷位置上
当在探针尖端和样品之间施加电压时，尖端将电子注入缺陷
当电子从探针尖端行进或隧穿时，其能量的一个明确定义的部分被转换成单个光子
最后，探针尖端充当天线，帮助将发射的光子引导到光学检测器，该检测器记录其波长和位置
通过绘制包含各种缺陷的薄膜发出的光子，研究人员能够精确定位注入的电子、局部原子结构和发出的光子之间的关联
通常，这种地图的光学分辨率被限制在几百纳米
多亏了极其局部化的电子注入，结合最先进的显微镜工具，伯克利实验室的团队可以确定光子在材料中的出现位置，分辨率低于1埃，约为单个原子的直径
详细的光子图对于精确定位和理解电子触发的光子发射机制至关重要
“就技术而言，这项工作是一个巨大的突破，因为我们可以用亚纳米分辨率绘制单个缺陷的光发射
我们用原子分辨率来观察光发射，”凯瑟琳·科克伦说，她是分子铸造厂的博士后研究员，也是这篇论文的主要作者
以原子精度定义二维材料中的单光子光源，为理解这些光源如何工作提供了前所未有的重要见解，并为制造完全相同的光源组提供了一种策略
这项工作是非均匀二维材料中新量子现象探索的一部分
二维材料正在引领下一代光子发射器的强大平台
薄膜是柔性的，容易与其他结构集成，现在提供了一种系统的方法来引入对光子发射的无与伦比的控制
基于新的结果，研究人员计划使用新材料作为量子网络和量子模拟中的光子源
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