多年来，学界一直在寻找创建和操作大规模量子光源的更佳方式，以期实现更好的量子计算和通信。而在最近，美国华盛顿大学教授李墨课题组通过利用原子层间的“呼吸”现象，成功创建一种新型量子平台，为量子计算电路的发展提供全新的方法。在该平台的帮助之下，有望使用激子光源阵列实现光子在集成光学和量子光学电路中的传输。
具体来说，通过观察二维材料激子在受到激光激发时发出的光，可以探测原子层之间的机械振动与激子发光相纠缠，这一振动的模式也被称为二维材料层间的呼吸模式。研究中，他们发现这种层间呼吸的声子模式，可被用于编码和传输量子信息。 此前，科学家们一直依赖于材料中的缺陷来产生量子发射源，而这种方法的局限在于，无法精确控制量子发射源的位置、以及较大的空间不均匀性从而导致其发光能量与缺陷位置具有高度的不确定性。 然而，通过使用两层非常薄的 WSe2 原子层，该团队通过施加局部应力的方式，得以精确地确定量子发射源的位置，并在其应力支撑材料位置上创建出了所需的量子光源。 与此同时，通过控制局部的电场的方式，课题组针对单光子能量实现了独立调制，从而将不同位置的激子调控至相同频率，借此克服了材料的空间不均匀性。 此外，他们还发现原子层之间的机械振动产生了一种名为声子的准粒子，这也是学界首次在二维原子系统中的单光子发射源中观察到强声子耦合。 通过对电压进行调节，他们成功控制了声子与光子的相互作用强度。对于将量子信息编码到单光子发射里来说，这一成果具有重要意义。 总的来说，这项研究为量子计算、通信和传感等领域的应用开辟了新的可能性。通过控制和操纵量子发射源及其相关的声子状态，可以给建立集成系统、实现量子通信和量子传感提供重要的研究基础，预计本次成果可被用于量子通信和传感应用等。
其中，基于二维材料集成光量子通信与传感的实验内容，为光量子技术的发展铺平了道路。通过探索和利用声子与光子的相互作用，未来可以实现更复杂、可扩展的光量子电路和通信系统，并在通信、计算和传感等领域带来革命性的应用。 此外，光量子技术在通信和传感领域具有巨大的潜力。通过利用此次发现的声子作为传输媒介，可以实现更稳定、更可控的量子通信和传感。 日前，相关论文以《激子量子发射器中的可调谐声子耦合》（Tunable phononic coupling in excitonic quantum emitters）为题发在 Nature Nanotechnology 上[1]，艾迪娜·里平（Adina Ripin）是第一作者，彭若酩与李墨教授担任共同通讯。
据介绍，该项目最初是作为另一个课题的附加研究内容开始的。但是随着研究的深入，他们发现双层二硒化钨中的激子发光，可以通过电场得到非常有效的控制。 同时，该团队也注意到在材料局部应力强的位置，会出现高度局域化的发光现象。基于这一观察，他们萌生了使用纳米尺度的氧化硅施加额外应力，从而制备单光子激子光源的想法。 在后续的测试之中，他们发现光谱始终呈现出一种“杂乱”的特点，而且往往会同时出现多个非常窄的光谱峰。通过仔细研究光谱之间的相关性，其发现这些光谱峰之间的间距十分相似，并且与双层材料中的呼吸模式能量是相对应的。 随后，通过对光子的二阶相关性和激子发光的线性偏振进行研究，他们发现所有的光谱峰都具备着相同的线性偏振，进而体现出光谱里多个峰的关联性，并且当同时对光谱进行二阶关联性测量时，始终能满足单光子的特性，从而确认光谱里的多个峰源自同一个激子发光事件。
据彭若酩介绍，本次课题中他和同事通过探索双层二硒化钨中的高度可调激子，来寻找基于二维材料新的量子技术平台。当时，他们的目标是希望制备可调的集成量子光源阵列，并为量子计算、通信和传感器开发等领域提供新的资源。 在之前的工作中[2]，课题组研究过一种双层二硒化钨中的声波和电学可调“激子”。激子可以用来编码信息，并能以光子的形式释放出来。光子作为量子信息的传输载体，具有光速传输的特点。尤其是双层二硒化钨中的激子，得益于层间激子的垂直电偶极子的特性，使激子能够有效地被垂直方向的电场和材料中应力所调控。 基于此，在本次研究中他们决定使用双层材料的可调激子来创建单光子发射器，而这也是基于光学的量子技术的关键组件。 接下来则要确定量子发射器位置，期间他们使用两层二硒化钨作为研究对象，通过将二硒化钨层压在准备好的百纳米尺度柱状物质上，在支撑材料的帮助之下，利用局部应力的方式创建了所需的量子发射器。 于此同时，他们通过石墨烯电极对双层二硒化钨里制备的量子光源进行局域的电场调制。得益于双层二硒化钨层间激子的特性，电场可以与垂直方向的电偶极子发生相互作用，进而调控激子的发光能量。 实验中，课题组通过电场将两个不同位置的激子，通过电场调制到相同的能量上，借此为大规模的量子光学网络奠定基础。 后来，该团队发现双层二硒化钨除了会产生光致激子的单光子发光现象外，还会产生另一种准粒子——声子。声子是由晶格振动产生的，例如双层原子层之间的呼吸模式。双层原子层的呼吸模式会导致层间距离的改变，从而作用到双层激子的电偶极矩上。 并且，他们观察到这种二维原子系统中存在较强的声子激子耦合现象，每个由激子产生的光子都对应于一个或多个声子耦合。而通过电压的变化，则能控制相关声子和发射的光子之间的相互耦合的强度。通过对双层二硒化钨中外加电场进行估算，进而估算了二维材料激子与声子的耦合强度最高可以达到强耦合的区域。
而基于本次成果的未来发展方向是：可以进一步研究和开发基于这种声子传输的量子通信和传感系统，并探索其在信息安全和精密测量等领域的应用。 基于此，课题组打算建立一个基于二维材料的集成光学系统，以控制和操作多个量子发射器及其相关声子状态。 得益于二维材料的易于转移集成的特点，该团队计划将二硒化钨的单光子源阵列，通过转移的方式与集成光学的波导、调制器、探测器相结合。 一旦得以成行，这将使量子发射器之间能够进行相互通信，从而助推量子电路的构建。而该团队的终极目标是创建一个集成系统，利用光学电路中的单光子和新发现的声子来进行量子计算和量子传感。 如前所述，课题组通过应力调制实现了量子发射源的单光子发射。而未来的详细发展方向之一则是通过扩展这种方法，以实现多个量子发射源的精确控制，如能实现将能为构建更大规模的光量子电路奠定基础。 其还计划构建一个波导网络，即将单光子发射源捕捉并引导到需要的位置。通过控制波导网络中的光子和声子相互作用，就能实现光量子信息的传输和处理，从而能为构建复杂的光量子电路和通信系统打开新的途径。 此外，其还希望能够控制多个量子发射源及其相关的声子态，使它们能够相互交流和相互作用。而这种相互作用能被用于构建量子比特之间的纠缠态和量子计算中的量子门操作。因此，控制多个量子发射源之间的相互作用，是课题组接下来的重要研究方向之一。 据介绍，李墨课题组专注于探索纳米光子学、光机械学和集成声光学。此前，他和团队研发的集成纳米光机械系统，通过利用机械原理和光力，以新颖的方式控制了光与材料的相互作用。在集成声光学的研究上，课题组揭示并利用纳米光子系统中光和声波之间的相互作用，在二维材料光电子学方面做出了重要贡献。
另据悉，此次担任论文共同通信作者的彭若酩，其本科就读于电子科技大学，博士早期就读于美国明尼苏达大学，2018 跟随导师李墨转学至华盛顿大学。目前，他在德国斯图加特大学第三物理研究所，跟随约尔格·拉赫图普（Jörg Wrachtrup）教授从事博士后研究，主要探索方向是固体物理中自旋缺陷尤其是基于金刚石色心量子传感与量子计算。完成博后研究之后，彭若酩打算回国发展。 参考资料： 1.Ripin, A., Peng, R., Zhang, X. et al. Tunable phononic coupling in excitonic quantum emitters. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01410-6 2.Peng, Ruoming, et al. Nature Communications 2022 |
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科学家利用原子层创建新型量子平台，可实现更稳定可控的量子通信 |
