每秒發射23億顆光子！創世界紀錄　清華大學打造「最亮量子光源」

量子通訊技術突破性發展！清華大學材料系教授林皓武今天（6／10）宣布，其率領之研究團隊，已成功在室溫下打造出全球最亮、高速且不閃爍的單光子源，每秒可發射超過23億顆光子，刷新世界紀錄，未來將可為量子通訊與量子光子晶片的實現跨出關鍵一步，林皓武說，成果已發表於國際頂尖期刊《科學進展》（Science Advances）。

台灣近年也積極投入核心元件的自主研發，目前應用都仰賴能「一次只發出一個光子」的單光子源。另外，林皓武說明，這類光源的亮度直接決定資料傳輸的速度，亮度越高、傳輸越快；但要在室溫下同時兼顧高亮度、快速放光與穩定不閃爍，一直是全球量子光電領域最困難的挑戰之一。

為了解決此難題，團隊將鈣鈦礦量子點與約 100 奈米的銀奈米立方體結合，建構出「電漿子奈米共振腔」，讓光與物質產生強烈交互作用。其中最大難關在於兩種材料原本「水火不容」，因為銀奈米立方體須浸在酒精等高極性溶劑中，但傳統鈣鈦礦量子點一碰到這類溶劑就會溶解、失去發光能力。


論文第一作者、清華材料所博士生廖子豪，負責鈣鈦礦量子點的合成改質、共振腔製作及光學量測。他指出，團隊使用特殊的「兩性離子」配體包覆量子點，就像替它穿上抗溶劑的「奈米雨衣」，既能防禦酒精等極性溶劑的破壞，也成功維持量子點高達95％的發光效率。

「奈米雨衣」讓原本極易受溶劑影響的量子點，能被嵌入銀奈米立方體與銀薄膜之間、僅約10奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的「電漿子奈米共振腔」中，大幅提升亮度。論文共同作者、清華材料所博士莊詠棠負責光物理性質與機制分析。他說明，量子點與共振腔結合後產生的「帕塞爾效應」（Purcell effect），能讓發光速度大幅提升435倍、發光壽命縮短至12皮秒以下，整體發光強度較整合前增加達250倍。

林皓武解釋，帕塞爾效應還帶來令人意外的收穫，「由於放光速度極快，快到量子點來不及進入不發光狀態，亮度因此呈現穩定，解決了單光子源長年以來『閃爍』的問題。」他補充，相較部分傳統半導體單光子源必須在接近絕對零度的低溫環境下運作，鈣鈦礦量子點在室溫即可穩定發光，大幅降低了設備成本與應用門檻。


至於新款光源到底有多亮？林皓武分享，團隊以自行改裝的國產共軛焦顯微鏡量測時，偵測器竟直接過曝飽和，「就像拿相機對著太陽拍照」，最後必須在光路上加裝多層中性密度濾鏡，等於替儀器戴上「墨鏡」，才能完成量測。實測證實，這款元件亮度領先國際既有紀錄逾十倍。

本項成果由清華團隊獨立研發，獲國科會及教育部「國家重點領域頂尖研究中心計畫」經費支持。林皓武預估，5年內可應用於量子加密通訊，5至10年內有望成為量子電腦的核心元件。團隊下一步將開發多色光源，讓通訊頻寬加倍，並朝光纖通訊適用的紅外光波段邁進。