在原子薄的材料中，镀金的探针尖端将电子注入到一个精心定位的缺陷中。来自每个电子的能量导致一个高度局域的单光子发射，然后可以引导到探测器。
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、性能更高的信息共享，科学家和工程师们正在设计利用量子物理规则的下一代设备。这些设计依靠单光子进行编码，并在量子网络和量子芯片之间传输信息。然而，产生单光子的工具还不能提供量子信息技术所需的精度和稳定性。
现在，正如最近发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的报道，研究人员已经找到了一种方法，可以根据需要生成单一、相同的光子。由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的研究小组，通过将一个金属探针放置在一个普通的二维半导体材料的指定点上，已经触发了一个电子光子发射。光子的性质可以通过改变施加的电压来简单地调整。
Alex Weber-Bargioni是伯克利实验室分子铸造厂的一名科学家，他领导了这个项目。他说:“电驱动单光子发射在一个精确的点上的演示，是探索可积量子技术的一大进步。”研究中心的一部分小说通路量子相干材料(NPQC),能源前沿研究中心由美国能源部赞助,其总体目标是找到新方法来保护和控制量子存储器,可以提供新的见解新颖材料和设计的量子计算技术。
光子是量子信息最强大的载体之一，可以在长距离传输时不丢失记忆，也就是所谓的相干性。迄今为止，大多数为大规模量子通信提供动力的安全通信传输方案都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。在伯克利实验室演示的新光子发射器就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，并最终扩大到更大的处理器和未来的量子互联网，将世界各地复杂的计算机连接起来。
光子发射器是基于普通的二维半导体材料(二硫化钨，WS2)，它的晶体结构中去掉了一个硫原子。这个被仔细定位的原子的缺陷，或缺陷，作为一个点，光子可以通过应用电流产生。
挑战不在于如何产生单个光子，而在于如何使它们真正相同，并按需生产。光刻技术制造的光子发射装置，如半导体纳米颗粒或照亮QLED电视的“量子点”，由于没有基于模式的系统可以在单个原子上完全相同，所以它们会受到固有的变动性的影响。Weber-Bargioni的研究人员采用了一种不同的方法，在一片石墨烯上生长薄膜材料。任何引入到薄膜原子结构中的杂质在整个样品中都是重复和相同的。通过模拟和实验，该团队确定了在什么地方对均匀的结构引入缺陷。然后，通过在该位置上施加一个电触点，他们能够触发该材料发射光子，并通过所施加的电压控制其能量。光子可以携带信息到遥远的地方。
一张地图显示了在施加电压时，从薄膜材料发射出的光子的强度和位置。来源:伯克利实验室
“单光子发射体就像一个终端,精心准备的但脆弱的量子信息发送到一个闪电般的道路,坚固的盒子,“布鲁诺•舒勒说,博士后研究员分子铸造(现在的研究科学家Empa-the瑞士联邦材料科学与技术实验室)和作者的工作。
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部位。当在探针尖端和样品之间施加电压时，探针尖端将电子注入缺陷中。当电子从探针尖端移动或通过隧道时，它的一部分能量会转化为单个光子。最后，探针尖端作为一个天线，帮助引导发射的光子到光学检测器，记录其波长和位置。
通过映射由各种缺陷制成的薄膜发出的光子，研究人员能够确定注入的电子、局部原子结构和发出的光子之间的相关性。通常，这种地图的光学分辨率被限制在几百纳米。由于极局部化的电子注入，结合最先进的显微镜工具，伯克利实验室团队可以确定光子在材料的哪里出现，分辨率低于1埃，大约一个原子的直径。详细的光子图对精确定位和理解电子触发的光子发射机制至关重要。
“在技术方面，这项工作是一个巨大的突破，因为我们可以用亚纳米的分辨率绘制单个缺陷的光发射。我们用原子分辨率可视化光发射，”分子铸造厂的博士后研究员、该论文的第一作者凯瑟琳·科克伦说。
在二维材料中定义具有原子精确度的单光子光源，为理解这些光源的工作原理提供了前所未有的洞察力，并为制造完全相同的光源提供了策略。这项工作是NPQC在非均匀二维材料中探索新的量子现象的一部分。
二维材料作为下一代光子发射器的强大平台，正处于领先地位。这种薄膜很灵活，很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。基于这些新结果，研究人员计划在量子网络和量子模拟中使用新材料作为光子源。
