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外国大学开发分子涂层技术突破量子光源稳定性瓶颈
作者：欧光科技 发表时间：2025-10-11 16:16:47
伊利诺伊州埃文斯顿，2025年10月7日—量子技术领域中，光子数量或能量的微小偏差可能导致相关设备偏离预期运行状态，进而影响量子系统（如量子计算机）的核心性能。针对这一关键瓶颈，西北大学研究团队通过在原子级薄半导体二硒化钨（WSe₂）表面涂覆一层片状有机分子，成功开发出突破性解决方案。该方案以量子光源为优化核心，显著提升了其输出的一致性与精度。
研究过程中，团队选用有机分子PTCDA作为涂层材料。该涂层可调控二硒化钨的物理特性，使其将杂讯信号转化为由量子光源单次释放的纯净单光子脉冲。实验数据显示，涂层使光子的光谱纯度提升87%，且能以可控方式调节光子能量（即光子颜色）；与此同时，它可降低光子的活化能，且未改变二硒化钨的基本半导体属性。
据团队介绍，这一简易且高效的技术路径，可为可扩展单光子源的研发奠定基础，最终推动可靠、高效量子技术的落地，助力安全通信、超精密传感器等领域的技术突破。
西北大学马克·赫萨姆（MarkHersam）教授（该研究通讯作者）指出：“当二硒化钨存在缺陷（如原子缺失）时，该材料具备发射单光子的能力。但这些单光子发射位点对大气中的各类杂质具有极高敏感性——即便空气中的氧气，也会与这些量子发射体发生相互作用，改变其产生一致性单光子的能力。光子发射数量或能量的任何波动，均会制约量子技术的整体性能。而通过覆盖一层高度均匀的分子涂层，我们能够保护单光子发射体免受无关杂质的干扰。”
量子光源的性能缺陷将引发严重后果：在量子通信领域，多余光子的存在会削弱网络安全性；在量子传感领域，能量异质的光子则会导致检测精度下降。因此，开发高亮度、高纯度的量子光源，使其能够按需单次输出一致性光子，成为研究核心目标。
团队重点研究对象为二硒化钨（WSe₂），该材料可承载能发射单光子的原子级缺陷。由于二硒化钨为原子级厚度，其缺陷与发射体均位于材料表面，易与大气杂质发生非预期相互作用；这种对大气中随机成分的敏感性，制约了二硒化钨在量子设备中实现精准操作的可靠性。为解决这一问题，团队采用真空环境下的逐层分子沉积技术，确保涂层均匀性——最终形成的分子涂层可保护二硒化钨表面及其量子发射缺陷，同时不改变其核心电子结构。
“这是一层分子层面完美的涂层，能为单光子发射位点提供均匀环境，”赫萨姆教授补充道，“换言之，该涂层可保护敏感的量子发射体免受大气杂质的破坏。”
通过隔绝环境干扰，该涂层不仅显著提升光子光谱纯度，还能降低光子能量——这一特性在量子通信设备中具备明确应用优势。最终，技术实现了更可控、可重复且更高质量的单光子输出，为量子技术的稳定发展提供关键支撑。
赫萨姆教授进一步解释：“尽管该涂层确实会与量子发射缺陷发生相互作用，但其对光子能量的调控具有均匀性。与之相反，当随机污染物与量子发射体相互作用时，其对能量的改变具有不可预测性。而均匀性正是量子设备实现可重复性操作的关键要素。”
该项目后续研究方向已明确：一是探索其他半导体材料，二是开发更多类型的分子涂层，以期进一步实现对单光子发射位置的精准调控；此外，团队还计划采用电流驱动量子发射，该技术路径将为量子计算机联网形成量子互联网奠定基础。
“我们的核心愿景是，推动技术从单个量子计算机向量子网络演进，最终实现量子互联网，”赫萨姆教授表示，“量子通信将以单光子为核心载体，我们的技术可助力构建稳定、可调且可扩展的单光子源——这类光源正是实现上述愿景的关键组成部分。”
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