Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

超安全通信与强大计算的未来依赖于一种非常特殊的性质的光：单光子。这些是单个的光粒子，可以携带信息，且不会受到困扰传统信号的噪声和干扰。为了让这些系统能够在长距离内工作，光子必须是不可区分的，这意味着它们在各方面都是完全相同的，就像两枚用完全相同的模具在同一时刻铸造出来的硬币一样。如果它们哪怕只有微小的差异，这些技术所需的精妙量子效应就会崩溃。虽然科学家们已经找到了创造这些单光子的方法，但要在全球电信网络所使用的波长下实现这一点却被证明非常困难。大多数现有的光源在可见光频率范围内工作，而可见光在光纤电缆中会被迅速吸收，因此不适合长途传输。研究人员一直在寻找一种能够产生在互联网所使用的近红外波长范围内的完美、一致光子的材料，但寻找一种既可靠又高质量的光源一直是一个重大障碍。

丹麦技术大学的一个研究小组现在展示了一种利用一种称为二硫化钼（molybdenum ditelluride）的材料来创造这些难以捉捕的光粒子的新方法。这种材料是一种二维晶体，意味着它只有几个原子厚，并且天然地在近红外范围内发射光，这比其他材料更接近电信所使用的波长。挑战在于，虽然这种材料可以发射光，但它产生的光子通常是“杂乱”的，具有变化的颜色和时间特性，导致其无法用于先进的量子任务。研究人员致力于通过创建一个受控的环境来解决这个问题，从而迫使该材料按需发射完美的、一致的光子。

为了实现这一目标，团队为他们的晶体构建了一个专门的平台。他们首先设计了一个镜面状的表面，旨在让光线来回反射，从而最大限度地收集光量。在此之上，他们放置了由坚硬树脂制成的微型星形柱。当他们将一层薄薄的二硫化钼转移到这些柱子上时，材料自然地围绕着尖锐的点发生弯曲和褶皱。这些褶皱在晶体内部创造了强烈的物理应力区域。研究人员随后使用聚焦电子束在这些受压区域制造了微小的、特定的缺陷。这种物理应力与原子级损伤的结合形成了一个陷阱，将能量限制在晶体中的一个极小点上，使其能够释放出单个光子。

结果较之以往对该材料的尝试有了显著改进。团队发现，这些工程化发射器产生的光在1090至1200纳米之间的一个非常特定的波长范围内，这处于光谱的近红外部分。它们发射的光是高度偏振的，这意味着光波在单一且一致的方向上振动，这是受控光源的一个标志。最重要的是，光子的发射速度非常快，寿命仅为130到450皮秒（即一万亿分之一秒）。这种速度至关重要，因为它减少了光子与环境发生相互作用并变得“杂乱”的时间。

为了证明这些确实是真正的单光子而非微弱的光，研究人员测量了光子到达探测器时的行为。他们发现，光子是一个接一个到达的，两个光子同时到达的可能性非常低。通过仔细调节激光激发材料的方式，他们可以将背景噪声降低到几乎为零，从而实现了一种纯度水平，即出现第二个光子的概率小于百分之一。他们还发现，通过向器件施加微小的电压，他们可以使发射光的颜色发生微小但有用的偏移。这种调谐能力对于匹配不同发射器的颜色以使其在更大的网络中协同工作至关重要。

这些光源最关键的测试是观察其光子是否具有不可区分性。研究人员设置了一个实验，让来自该光源的两个光子在分束器处相遇。如果光子是相同的，它们会以特定的方式相互干涉，导致它们一起退出而非分开退出。团队观察到了这种干涉现象，证实了这些光子确实是不可区分的。虽然这种效应并不完美，但却是该类材料中所测得的最强效果。通过过滤数据以只观察最清晰的时刻，他们达到了二硫化钼此前从未达到的不可区分水平。

这项工作标志着二维晶体在量子技术应用中的一个转折点。它表明，通过结合物理应变、精确的缺陷制造和电学控制，科学家可以将一种困难的材料转化为可靠的单光子源。这种调谐发射的能力以及实现高纯度的能力表明，这些光源最终可以集成到现有的光纤网络中。虽然目前的器件尚未达到长距离电信所使用的确切波长，但前进的道路是清晰的。通过调整材料的厚度和完善制造工艺，这些发射器很快就能成为下一代量子通信系统的标准组件，使无黑客攻击的网络和强大的量子计算机的承诺离现实更近一步。