洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的研究人員開發出一種新技術，可以產生對量子信息和通信至關重要的圓偏振單光子流。他們利用原子級薄材料證明，單層半導體可以在沒有外部磁場的情況下發射圓偏振光。研究小組利用納米級的壓痕實現了這一目標，從而向量子加密、通信和潛在的超安全量子互聯網邁出了關鍵的一步。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的科學家團隊將兩種不同的原子薄材料堆疊在一起，實現了一種手性量子光源。這種量子光發射器的新方法可產生圓偏振單光子流或光粒子流，可用於一系列量子信息和通信應用。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學家Han Htoon 說：”我們的研究表明，單層半導體有可能在沒有外部磁場的幫助下發射圓偏振光。以前只有通過大型超導磁體產生的高磁場、將量子發射器與非常複雜的納米級光子學結構耦合或向量子發射器注入自旋偏振載流子才能實現這種效果，而我們的近程效應方法具有低成本製造和可靠性高的優勢”。

偏振態是對光子進行編碼的一種手段，因此這一成果是朝著量子密碼學或量子通信方向邁出的重要一步。有了一個既能產生單光子流又能引入偏振的光源，基本上就把兩種設備合二為一了。

手性量子光發射是在兩種不同層狀材料（一種單層半導體和一種反鐵磁晶體）的疊層中形成的，從材料中升起，可用於量子信息和通信應用。資料來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

壓痕是光致發光的關鍵

正如發表在《自然-材料》（Nature Materials）雜誌上的一篇論文所描述的，研究團隊在集成納米技術中心（Center for Integrated Nanotechnologies）工作，將單分子厚的二硒化鎢半導體層堆疊在更厚的三硫化鎳磷磁性半導體層上。博士後助理研究員李向志利用原子力顯微鏡在這層薄薄的材料上製造出了一系列納米級的壓痕。這些壓痕的直徑約為400納米，因此200多個這樣的壓痕可以很容易地穿過一根頭髮的寬度。

事實證明，當激光聚焦在這堆材料上時，原子顯微鏡工具產生的壓痕會產生兩種效果。首先，壓痕在勢能圖中形成了一個井或凹陷。二硒化鎢單層的電子落入凹陷處。這刺激了井中單光子流的發射。

納米壓痕還破壞了底層三硫化二磷鎳晶體的典型磁性，產生了一個局部磁矩，從材料中指向上方。該磁矩使發射的光子產生圓極化。為了在實驗中證實這一機制，研究小組首先與位於洛斯阿拉莫斯的國家高磁場實驗室脈衝磁場設備合作，進行了高磁場光學光譜實驗。然後，研究小組與瑞士巴塞爾大學合作測量了局部磁矩的微小磁場。

實驗證明，研究小組成功地展示了一種控制單光子流偏振態的新方法。

量子信息編碼

研究小組目前正在探索如何通過施加電刺激或微波刺激來調節單光子的圓偏振程度。這種能力將提供一種將量子信息編碼到光子流中的方法。

進一步將光子流耦合到波導–光的微觀管道–將提供允許光子單向傳播的光子電路。這種電路將成為超安全量子互聯網的基本構件。