量子計算和量子密碼學被期望比經(jīng)典計算機提供更高的能力。例如，由于基本單位量子位(量子比特)的性質(zhì)不同，量子系統(tǒng)中的計算能力可能會以雙指數(shù)速率增長，而不是以經(jīng)典的線性速率增長。

糾纏粒子為不可破解的密碼安全通信。這些技術(shù)的重要性促使立法通過《國家量子倡議法》(National Quantum Initiative Act)，該法案授權(quán)在未來5年內(nèi)撥款12億美元（約合84億元人民幣）用于發(fā)展量子信息科學。

單光子可以作為這些應用的基本量子位源，為了實現(xiàn)實際應用，單個光子應該在電信波長，范圍從1260 - 1675納米，該設(shè)備應該在室溫下工作。迄今為止，碳納米管中只有一個熒光量子缺陷同時具有這兩種特性。然而，由于制備方法需要特殊的反應物、難以控制、進展緩慢、產(chǎn)生非發(fā)射缺陷或難以規(guī)?；?，這些單一缺陷的精確制造受到了阻礙。麻省理工學院生物工程系負責人安吉拉·貝爾徹、科赫研究所成員、生物工程系教授詹姆斯·克拉夫茨以及發(fā)表在《自然通訊》上博士后林清偉(音譯)的研究：

描述了一種簡單方法來制造基于碳納米管的單光子發(fā)射器，這種單光子發(fā)射器被稱為熒光量子缺陷。現(xiàn)在可以在一分鐘內(nèi)快速合成這些熒光量子缺陷，只需使用家用漂白劑和光，可以很容易地大規(guī)模生產(chǎn)。貝爾徹實驗室用最少的非熒光缺陷，證明了這一驚人的簡單方法。將碳納米管浸入漂白劑中，然后用紫外線照射不到一分鐘，就產(chǎn)生了熒光量子缺陷。熒光量子缺陷的存在大大降低了將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為實際應用的障礙，同時，納米管在產(chǎn)生這些熒光缺陷后變得更加明亮。

此外，這些缺陷碳納米管的激發(fā)/發(fā)射轉(zhuǎn)移到所謂短波紅外區(qū)(900- 1600納米)，這是一個不可見的光學窗口，波長略長于常規(guī)的近紅外。更重要的是，在更長的波長和更明亮缺陷發(fā)射器的操作，能讓研究人員通過更清晰和深入的組織光學成像。因此，基于缺陷碳納米管的光學探針(通常將目標材料與缺陷碳納米管結(jié)合)將大大提高成像性能，使癌癥檢測和治療如早期檢測和圖像引導手術(shù)成為可能。貝爾徹實驗室的目標是開發(fā)一種非常明亮的探針，它能在最佳光學窗口下觀察非常小的腫瘤，主要是卵巢癌和腦癌。

如果醫(yī)生能更早發(fā)現(xiàn)這種疾病，存活率可以顯著提高?，F(xiàn)在，新熒光量子缺陷可以成為升級現(xiàn)有成像系統(tǒng)的合適工具，通過缺陷發(fā)射來觀察更小的腫瘤。與上一代成像系統(tǒng)相比，使用的探針數(shù)量少了150倍，這表明我們在癌癥早期檢測方面又向前邁進了一步。在萊斯大學的合作下，研究人員首次可以利用一種稱為方差光譜的新光譜方法，識別碳納米管中量子缺陷的分布。這種方法有助于研究人員監(jiān)測含碳納米管量子缺陷的質(zhì)量，并更容易找到正確的合成參數(shù)。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10917-3

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