新技术实现逐个产生相同光子

下一代驾驭量子物理技术的设备，将能提供比现代互联网更安全、更快、更高性能的信息分享体验。光子是目前科学家所知的量子信息的最佳载体，能够完成长距离传输而不会损失记忆或相干性。

所以目前大部分设计都使用单个光子加密信息，通过这些光子在量子网络间、或在量子芯片之间传递信息。

然而，目前用于生成单个光子的工具还无法提供量子信息技术所需的准确性和稳定性。近期一份发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上的研究称，发明了一种可以按照需要，逐个产生完全一样的光子的技术。

这项研究的负责人美国能源部伯克利国家实验室（LBNL）的韦伯-巴乔尼（Alex Weber-Bargioni）说：“这种技术以电子触发、在精确位置发射单个光子，是实现可整合量子技术发展道路上迈出的一大步。”

现在，多数安全信息传输系统都使用光源逐一产生单个光子。每个光子都有特定的波长和朝向，都不一样。这种新式的光子发射器使用电子产生光子，每个完全一样，而且也可以实现和光源光子发射器一样的控制力和精准度。

研究称，这个技术的难点不在如何产生单个光子，而是怎样按照需要产生一个个完全相同的光子。

现有的光子发射器通常使用半导体纳米粒子材料，它们由光刻技术制造，自然带有变化性，不可能在原子层面达到完全相同的效果，因此生成的光子各不相同。

这个研究组采用了一种不一样的办法：在一层石墨烯上覆盖一层很薄的半导体材料薄膜，并向薄膜加入规律性分布的杂质。通过大量实验，确定一个最佳的位置，在这个位置控制杂质打破分布的规律性，形成一个缺陷点。之后，就在这个缺陷位置施加电压，激发释放一个光子。研究人员发现，只要简单地通过对电压的控制，就实现了对光子能量的控制。

这项实验使用扫描隧道显微镜镀金的针尖，准确定位薄膜上杂质分布的缺陷点。在针尖和材料之间施压电压，针尖将一个电子注入缺陷处，当电子从探针尖端隧穿时，其可控的部分能量将转化为单个光子。最后，针尖还起到天线的作用，引导发射的光子进入一个光学探测器，记录这个光子的波长和位置。

通过记录从多个缺陷点位置不同的薄膜所发出的光子的情况，研究人员能够确定注入电子、缺陷点位置原子结构和所发出的光子三者之间的关系分布图。

研究人员从绘制的高精度分布图上，能够把发射光子的位置精确到小于1埃米（0.1纳米）的程度，大约相当于一个原子的直径。研究者称，如此精确的光子发射图，对了解电子激发光子的机制很重要。

研究者表示，二维材料是下一代光子发射器的重要平台。薄膜灵活度高，与其它结构容易整合，为实现可控光子发射技术提供了一套系统的解决方案。