MIPT奈米光學與電漿實驗室研究人員Dmitry Fedyanin與德國錫根大學(University of Siegen)研究人員Mario Agio聯手,破解了堅不可摧的量子密碼中最令人頭痛的問題。藉由使用鑽石作為一個埃級量子編碼的光子之高速發射器,研究人員們開啟了高密度(即100MHz高速)量子密鑰通訊之門。

20160824 MIPT NT01P1 雷射的光子版設計——spaser,以及石墨烯層(電解層上方的蜂巢式晶格)。Spaser是透過主動(增益)介質(橘色部份)實現光學驅動。 (來源:MIPT)

「我們的研究重點在於設計和開發紅外線單光子源,它可在電泵下提供高強度的單光子射線,以及具有高能效、可在室溫與高溫下作業等特性,」Fedyanin表示。

目前,用於堅不可摧的密鑰單光子源(如量子點),通常作業於極低速率——僅每秒幾個光子,使其光線極其暗淡。他們通常也需要被加以極度冷卻。MIPT以鑽石為基礎的技術則能在室溫下作業,以及在華氏溫度約392度時秒產生1億個堅不可摧的量子密鑰,使得單光子源十分明亮且低成本。如果研究人員們能證實這項研究的可靠性,那麼所有的量子加密公司可能都得被迫取這項技術授權。

然而,目前看來尚未達到目標。還有幾項工程障礙尚待克服,不過研究人員十分有信心,他們認為只要再經過幾年的研究開發,就能克服這些障礙。

20160824 MIPT NT01P2 早期原型階段的單分子檢測器,當時是用金屬來取代石墨烯 (來源:MIPT)

「我們的下一步是克服鑽石摻雜和色心植入的技術問題,這使我們無法從電驅動鑽二極體觀察真的超高亮度單光子發射,我們也開始致力於使單光子發射二極體更加微型化。我們將縮減該元件的尺寸至幾百奈米,以便能為線性的光量子電腦設計真正的奈米級量子光學電路,並進一步實現光量子電腦單晶片。同時,我們想使用奈米光效應,以及利用微型人優勢,提高該元件的擷取效率與量子良率,實現將近100%的效率,」Fedyanin表示。


(來源:MIPT)

單分子檢測器

MIPT的科學家還打造出埃級的單分子檢測器,期望能用於早期癌症檢測檢測以及非醫學應用領域,如在人、行李或密封的炸藥「嗅」出殘留爆裂物。根據量子力學效應,所用的材料並非鑽石,而是石墨烯的原子薄層。

「石墨已被證明是一種理想的電漿材料。相較於任何金屬,它能夠展現更好的電漿體定位與更低吸收。這兩種特性是製造感測器時不可或缺的。換句話說,電漿在2D石墨烯片上『偵測』表面雜質的能力比在金屬表面更好。此外,石墨烯中的電漿存在於IR到THz頻率的光譜區,這是在有機化合物振動光譜中所能觀察到的特徵譜線,」MIPT的另一位研究人員Alexander Dorofeenko表示。

然而,這項技也有尚待克服的工程挑戰。石墨烯就是用來克服無法易於建立駐波電漿。透過不同的預定義微結構,研究人員希望延展電漿的壽命,將其研究發現轉變成可用的超精密儀器。

在模擬中,使用量子力學方程式,研究者已經創建了一個表面電漿體發光二極管(SPED) - 激光的基於石墨烯的電漿體當量。被稱為墊片(電漿體激元激光)的MIPT團隊認為,關鍵是要檢測單個分子。

在進行模擬時,研究人員使用量子力學方程式,建立了一種表面電漿發射二極體(SPED)——基於石墨烯的雷射等量電漿。研究人員將它稱為spaser,並認為這將是檢測單分子的關鍵。

Dorofeenko表示,「我們正試著更加瞭解電漿雷射器[spasers]的運作,並確定石墨烯表面物質可產生最高感光度的雷射模式。我們計劃用不同的2D材料來設計電漿感測器,並探索各種可能應用,而目前的工作重點則在於開發一種基於金屬奈米結構的類似感測器。」。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Advances Get a Grip on Single Photons & Molecules,by R. Colin Johnson)