光已經能透過光纖傳遞電話通話、影片和電子郵件，但光的量子特性則有潛力徹底改變我們的通訊方式。如果能用單個光子來傳遞信息，則可以建立幾乎無法被破解的通訊系統。挑戰在於如何在現實條件下可靠地產生這些單光子。最近，日本研究人員展示了一種能在室溫下以當前電信網絡使用的波長，從單個精確選定的碳納米管位置發射出一個光子的技術。
為了使量子通訊能夠運作，光源必須逐個發射光子，而不是隨機成束地發射。雖然幾種材料能做到這一點，但大多數需要極低的溫度。碳納米管（由碳原子組成的微小圓柱體）則因為能在實用溫度和波長下發射單光子而備受關注。然而，它們也面臨一個頑固的問題：沿著其長度，會有多個點發出光，而科學家對這些點的數量和位置幾乎沒有控制權。缺乏精確控制導致發射的光變得不可預測，這對於量子技術來說是不可接受的。
Kato及其團隊通過將精確製造與實時監測相結合，解決了這個問題。他們首先將一根碳納米管懸掛在一個僅幾微米寬的溝槽中，這樣的設置使納米管得以隔離，並更容易控制其長度上的變化。接著，他們將納米管暴露於碘苯蒸氣中，這是一種在適當條件下能與碳反應的化學物質。關鍵步驟隨之而來，研究人員將紫外線激光束聚焦於納米管上的一個特定點，紫外光觸發了納米管與碘苯分子之間的反應，形成了碳結構中的微小缺陷，該缺陷稱為顏色中心。
這種顏色中心是一種精確設計的量子缺陷，它能夠捕捉激子（電子和空穴的束縛對），並以單光子的形式釋放其能量。為了確保只形成一個顏色中心，團隊持續監測來自納米管的光。一旦檢測到光的變化，表明顏色中心的形成，他們立即停止反應。研究團隊指出：“通過監測光致發光光譜中的離散強度變化，我們能夠精確控制個別顏色中心的形成。”這種精確的時機控制防止了額外缺陷的形成。
此外，通過移動激光束，他們可以選擇顏色中心的出現位置，將其位置控制在約一微米的範圍內。研究團隊補充道：“這種控制水平為可擴展量子光子電路的原子定義技術的發展鋪平了道路，這些技術能夠在室溫下於電信頻帶內運作。”
這一進展將使碳納米管可以直接整合到現有的光纖網絡中。從長遠來看，這樣的設備將能夠實現超安全的通訊系統，任何嘗試攔截信號的行為都將立即被檢測到。然而，將這一過程擴展到可靠製造多個相同的單光子發射器仍需時間和努力。將這些納米管整合到芯片上的複雜光子電路中也是一個挑戰。研究人員已經在展望未來，他們的下一個目標是構建基於芯片的設備。Kato表示：“我們希望將它們整合到光子電路上，一旦有了芯片，就可以開始與光子製造商討論實際應用。”該研究成果已發表在《Nano Letters》期刊上。
