安全的电信网络和快速的信息处理使现代生活的大部分成为可能。为了提供比目前更安全、更快速、更高性能的信息共享，科学家和工程师们正在设计利用量子物理学规则的下一代设备。这些设计依靠单光子在量子网络和量子芯片之间编码和传输信息。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，正如最近在《科学进展》杂志上所报道的那样，研究人员已经找到了一种按需生成单个相同光子的方法。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员领导的团队通过将金属探针定位在普通二维半导体材料的指定点上，用电触发了光子的发射。光子的特性可以简单地通过改变施加的电压来调整。

"在一个精确的点上演示电驱动的单光子发射，构成了追求可集成量子技术的一大步，"领导该项目的伯克利实验室分子铸造厂的工作人员科学家Alex Weber-Bargioni说。该研究是 "材料中量子相干新途径中心"（NPQC）的一部分，该中心是由能源部赞助的能源前沿研究中心，其总体目标是找到保护和控制量子存储器的新方法，为量子计算技术的新型材料和设计提供新的见解。

光子是量子信息最强大的载体之一，可以在不失去记忆或所谓的相干性的情况下进行长距离旅行。

一张地图显示了薄膜材料在施加电压时发出的光子的强度和位置。(来源：伯克利实验室)

为安全通信传输提供动力的大规模量子通信需要光源每次产生一个光子。每个光子必须有精确定义的波长和方向。伯克利实验室展示的新型光子发射器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，并最终扩展到更大的处理器和未来的量子互联网，将世界各地的精密计算机连接起来。

光子发射器基于一种常见的二维半导体材料（二硫化钨，WS2），它的晶体结构中去掉了一个硫原子。这个精心定位的原子缺陷，或称缺陷，作为一个点，通过应用电流可以产生光子。

挑战不在于如何产生单个光子，而是如何使它们真正相同并按需生产。通过光刻技术制造的光子发光器件，如点亮QLED电视的半导体纳米粒子或 "量子点"，都会受到内在变化的影响，因为没有一个基于模式的系统可以精确到单个原子。与Weber-Bargioni合作的研究人员采取了不同的方法，在石墨烯片上生长薄膜材料。任何引入薄膜原子结构的杂质都会在整个样品中重复和相同。通过模拟和实验，该团队确定了在原本均匀的结构上引入不完美的地方。然后，通过在该位置施加电接触，他们能够触发材料发射光子，并通过施加的电压控制其能量。然后，该光子就可以将信息传递到遥远的地方。

"单光子发射器就像一个终端，在这里，精心准备但脆弱的量子信息被送入一个闪电般坚固的盒子里。"Bruno Schuler说。

主要作者Bruno Schuler。(照片由Bruno Schuler提供)

分子铸造厂的博士后研究员（现在是Empa--瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究科学家），也是这项工作的主要作者。

实验的关键是扫描隧道显微镜的金涂层尖端，它可以准确地定位在薄膜材料的缺陷部位上。当探针尖端和样品之间施加电压时，尖端将电子注入缺陷。当电子从探针尖端移动或穿行时，其能量的一部分被转化为单光子。最后，探针作为一个天线，帮助引导发射的光子到光学检测器，记录其波长和位置。

通过绘制从包括各种缺陷的薄膜中发射的光子，研究人员能够精确地确定注入电子、局部原子结构和发射光子之间的相关性。通常，这种图谱的光学分辨率仅限于几百纳米。得益于极其局部的电子注入，结合最先进的显微镜工具，伯克利实验室团队可以确定材料中哪里出现了光子，分辨率低于1埃斯特罗姆，大约是单个原子的直径。详细的光子图对于精确定位和理解电子引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图。我们以原子分辨率可视化光发射，"分子铸造厂的博士后研究员、该论文的主要作者Katherine Cochrane说。

以原子精度定义二维材料中的单光子光源，提供了前所未有的洞察力，对理解这些光源如何工作至关重要，并提供了一种制造完全相同的光源组的策略。这项工作是NPQC专注于探索非均质二维材料中的新型量子现象的一部分。

二维材料作为下一代光子发射器的强大平台，正在引领潮流。这种薄膜具有灵活性，易于与其他结构集成，现在为引入对光子发射的无与伦比的控制提供了一种系统的方法。基于新的结果，研究人员计划致力于采用新材料作为量子网络和量子模拟中的光子源。

这项研究得到了美国能源部科学办公室和瑞士国家科学基金会的资助。

分子铸造厂是位于伯克利实验室的DOE科学办公室用户设施。