量子信息時(shí)代我們拭目以待

量子計(jì)算和量子密碼學(xué)被期望比經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算能力可能會(huì)以雙指數(shù)速率增長(zhǎng)，而不是以經(jīng)典的線性速率增長(zhǎng)。糾纏粒子為不可破解的密碼安全通信。這些技術(shù)的重要性促使美國(guó)立法通過(guò)《國(guó)家量子倡議法》（National Quantum Initiative Act），該法案授權(quán)在未來(lái)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(xué)。

單光子可以作為這些應(yīng)用的基本量子位源，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，單個(gè)光子應(yīng)該在電信波長(zhǎng)，范圍從1260 - 1675納米，該設(shè)備應(yīng)該在室溫下工作。迄今為止，碳納米管中只有一個(gè)熒光量子缺陷同時(shí)具有這兩種特性。

然而，由于制備方法需要特殊的反應(yīng)物、難以控制、進(jìn)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(xué)院生物工程系負(fù)責(zé)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(jiǎn)單方法來(lái)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(chēng)為熒光量子缺陷?，F(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(shí)驗(yàn)室用最少的非熒光缺陷，證明了這一驚人的簡(jiǎn)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(shí)際應(yīng)用的障礙，同時(shí)，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(gè)不可見(jiàn)的光學(xué)窗口，波長(zhǎng)略長(zhǎng)于常規(guī)的近紅外。更重要的是，在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)和更明亮缺陷發(fā)射器的操作，能讓研究人員通過(guò)更清晰和深入的組織光學(xué)成像。因此，基于缺陷碳納米管的光學(xué)探針（通常將目標(biāo)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(cè)和治療如早期檢測(cè)和圖像引導(dǎo)手術(shù)成為可能。貝爾徹實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種非常明亮的探針，它能在最佳光學(xué)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(jí)現(xiàn)有成像系統(tǒng)的合適工具，通過(guò)缺陷發(fā)射來(lái)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?cè)诎┌Y早期檢測(cè)方面又向前邁進(jìn)了一步。在萊斯大學(xué)的合作下，研究人員首次可以利用一種稱(chēng)為方差光譜的新光譜方法，識(shí)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(cè)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)。