研究人员同步掌握单光子与分子研究进展
莫斯科物理技术学院(MIPT)目前正在研究一种可发射单光子(用于破解网络安全)的先进钻石技术，以及可侦测单分子(用于早期检测病原体)的石墨烯。尽管全世界的专家们也在解决这些埃(1纳米的十分之一)级的问题，但却很少有实验室能同时在这两方面取得进展。

MIPT 纳米光学与电浆实验室研究人员Dmitry Fedyanin与德国锡根大学(University of Siegen)研究人员Mario Agio连手，破解了坚不可摧的量子密码中最令人头痛的问题。藉由使用钻石作为一个埃级量子编码的光子之高速发射器，研究人员们开启了高密度(即 100MHz高速)量子密钥通讯之门。

雷射的光子版设计——spaser，以及石墨烯层(电解层上方的蜂窝晶格)。Spaser是透过主动(增益)介质(橘色部份)实现光学驱动。 （来源：MIPT）

“我们的研究重点在于设计和开发红外线单光子源，它可在电泵下提供高强度的单光子射线，以及具有高能效、可在室温与高温下作业等特性，”Fedyanin表示。

目前，用于坚不可摧的密钥单光子源(如量子点)，通常作业于极低速率——仅每秒几个光子，使其光线极其暗淡。他们通常也需要被加以极度冷却。MIPT以钻石 为基础的技术则能在室温下作业，以及在华氏温度约392度时秒产生1亿个坚不可摧的量子密钥，使得单光子源十分明亮且低成本。如果研究人员们能证实这项研究的可靠性，那么所有的量子加密公司可能都得被迫取这项技术授权。

然而，目前看来尚未达到目标。还有几项工程障碍尚待克服，不过研究人员十分有信心，他们认为只要再经过几年的研究开发，就能克服这些障碍。

早期原型阶段的单分子检测器，当时是用金属来取代石墨烯 （来源：MIPT）

“我们的下一步是克服钻石掺杂和色心植入的技术问题，这使我们无法从电驱动钻二极管观察真的超高亮度单光子发射，我们也开始致力于使单光子发射二极管更加微型 化。我们将缩减该组件的尺寸至几百纳米，以便能为线性的光量子计算机设计真正的纳米级量子光学电路，并进一步实现光量子计算机单芯片。同时，我们想使用纳米光 效应，以及利用微型人优势，提高该组件的撷取效率与量子良率，实现将近100%的效率，”Fedyanin表示。

采访视频：https://www.youtube.com/watch?v=hQ54k2Bg6RA
（来源：MIPT）

单分子检测器

MIPT的科学家还打造出埃级的单分子检测器，期望能用于早期癌症检测检测以及非医学应用领域，如在人、行李或密封的炸药“嗅”出残留爆裂物。根据量子力学效应，所用的材料并非钻石，而是石墨烯的原子薄层。

“石墨已被证明是一种理想的电浆材料。相较于任何金属，它能够展现更好的电浆体定位与更低吸收。这两种特性是制造传感器时不可或缺的。换句话说，电浆在2D石 墨烯片上‘侦测’表面杂质的能力比在金属表面更好。此外，石墨烯中的电浆存在于IR到THz频率的光谱区，这是在有机化合物振动光谱中所能观察到的特征谱线，”MIPT的另一位研究人员Alexander Dorofeenko表示。

然而，这项技也有尚待克服的工程挑战。石墨烯就是用来克服无法易于建立驻波电浆。透过不同的预定义微结构，研究人员希望延展电浆的寿命，将其研究发现转变成可用的超精密仪器。

在模拟中，使用量子力学方程式，研究者已经创建了一个表面电浆体发光二极管（SPED） - 激光的基于石墨烯的电浆体当量。被称为垫片（电浆体激元激光）的MIPT团队认为，关键是要检测单个分子。

在进行模拟时，研究人员使用量子力学方程式，建立了一种表面电浆发射二极管(SPED)——基于石墨烯的雷射等量电浆。研究人员将它称为spaser，并认为这将是检测单分子的关键。

Dorofeenko表示，“我们正试着更加了解电浆激光器‘spasers’的运作，并确定石墨烯表面物质可产生最高感亮度的雷射模式。我们计划用不同的2D材料来设计电浆传感器，并探索各种可能应用，而目前的工作重点则在于开发一种基于金属纳米结构的类似传感器。”。

编译：Susan Hong

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