量子技术利用量子力学效应来完成特定任务，在某些应用上有望超越传统经典技术。单光子发射器是其中的核心元件之一，它能够一次只释放一个光子，被广泛视为量子通信网络和量子计算平台的关键基础组件。

为了让量子技术稳定可靠地运行，发射器必须输出高度一致且相干的光子。也就是说，发射出的光子在量子性质上应尽可能保持稳定、可控和可预测。

来自哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所、鲁尔波鸿大学、巴塞尔大学以及 Sparrow Quantum ApS 的研究人员，近期基于量子点开发出一种新型单光子发射器。量子点是一类可以在极小空间中束缚电子的纳米结构，能够在受控条件下实现单光子发射。

这项成果发表在《自然纳米技术》期刊上。该器件工作在电信 O 波段，与现有光纤通信基础设施直接兼容，因此有望用于构建大规模量子通信网络，甚至为未来量子互联网提供硬件基础。

论文第一作者 Marcus Albrechtsen 在接受 Tech Xplore 采访时表示：“我们的目标是把性能最好的量子光源，与我们已经非常成熟且可扩展的光学技术连接起来。”

他补充说：“量子点本身是非常优秀的发射体，但以往性能最好的量子点工作波长与电信系统和硅光子学并不匹配。我们希望让具有量子相干性的量子点，能够直接在原生电信波段工作，也就是大约 1300 纳米的 O 波段。”

相干电信量子点发射器

这项工作源于尼尔斯·玻尔研究所、鲁尔波鸿大学和巴塞尔大学研究团队之间的长期合作。核心目标是在电信波长产生单光子，同时尽量抑制会破坏相干性、扰乱光子量子态的环境噪声。

Albrechtsen 介绍说：“波鸿团队的材料突破在于，在量子点上方生长应变缓解层，同时不引入会降低光子质量的材料缺陷。”

“随后，我们利用尼尔斯·玻尔研究所洁净室中的先进纳米制造工艺，将这些样品加工成带有电控功能的量子光子电路，同时保持晶体本身的高质量。然后在哥本哈根使用专门的低温平台，在约 -269°C（4 开尔文，接近绝对零度）的环境下对样品进行测量。”

量子点可以看作嵌入半导体芯片中的“人工原子”，在极小的空间内束缚载流子。与真实原子类似，它们具有离散能级，可以被激发并随后弛豫。

Albrechtsen 解释：“我们在这些量子点周围制作器件，用激光照射使其被激发。”

“在极短时间后，量子点弛豫，并向周围的纳米光子波导结构发射出恰好一个单光子。通过电控，我们可以抑制缓慢变化的噪声，使得连续发射的光子在量子态上几乎完全相同。”

在这款器件中，单个量子点被嵌入到所谓的 p-i-n 二极管结构中。该结构由三层组成：p 型半导体、本征未掺杂半导体层以及 n 型半导体层。这样的设计可以稳定量子点附近的电荷环境，避免电荷波动导致不同发射事件之间光子能量发生漂移。

Albrechtsen 表示：“我们在量子点周围设计了光子晶体波导结构，增强了单光子向波导中的发射（即 Purcell 效应），缩短了残余噪声可能起作用的时间窗口，并且可以对单光子进行路由和操控，用于各种量子应用。”

这款新型发射器能够在电信波长下发射高亮度单光子，同时保持量子相干性，这三点此前很难同时实现，对构建大规模量子通信系统尤为关键。

Albrechtsen 指出：“我们展示的 O 波段量子点，其发射线宽仅比寿命极限宽约 8%。”

“这意味着，在持续数秒的时间内，我们每秒可以向波导发送超过 4000 万个单光子，其中至少有 92% 在量子态上是相同的。这就是量子相干性，对于任何基于光子-物质接口的实际应用都至关重要。”

向量子互联网迈进

这项研究为新一代量子通信系统，乃至量子互联网的实现，打开了新的可能性。

该研究的首席研究员 Leonardo Midolo 解释说：“此前，人们往往需要对发射出的光子进行滤波，只保留那些相同的光子，这会带来巨大的效率损失，从而限制了实际应用。”

“现在，我们可以真正释放量子点的全部潜力，使其既兼容电信基础设施，又具备可扩展性。这在量子相干发射器与低损耗光纤以及硅光子学之间架起了一座桥梁，而且不需要额外的频率转换步骤。”

研究团队开发的器件可用于构建可扩展的量子光子系统，例如大规模安全量子通信网络和高精度量子传感平台。同时，它也可以与其他组件集成，用于构建容错量子计算机，即对噪声具有鲁棒性、误差率极低的量子计算系统。

Midolo 表示：“下一步是从单个高性能发射器，走向更复杂的光子集成电路。”

“我们希望在同一芯片上集成多个电信波段量子点，将它们调谐到共振状态，并通过低损耗光学电路互联。电信波段工作的一个关键优势，是可以直接兼容硅绝缘体光子集成电路，而这类平台在过去二十年中已经高度成熟。”

在后续研究中，Midolo 及其同事计划进一步放大器件规模，将多个基于量子点的发射器集成在同一系统中。这将有助于实现基于纠缠的新型量子通信协议，为未来量子互联网的构建提供技术路径。

他补充说：“在这篇论文中，我们已经实现了较大范围的发射波长调谐，这对于在存在自然制造差异的情况下，让多个量子点彼此匹配非常关键。”

“未来的方向将包括与硅光子技术的异质集成。硅光子可以提供超低损耗的光子芯片，用于量子信息的路由和处理。例如，可以通过微转印或晶圆键合等方式将两种技术结合起来。”

“事实上，量子点的本征宿主材料砷化镓本身就是优良的光子集成电路材料，在这些电信波长下，其损耗远低于迄今为止量子点常用的近红外工作波段。”

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