即插即用的室温单光子源

韩国标准科学研究院（KRISS）开发出一种室温单光子 源，它被集成到一个紧凑的19英寸机架式装置中，无需低温冷却即可运行。该装置设计为即插即用系统，通电即用，使量子光源技术走出实验室，向实际的现场应用迈进了一大步。这项研究发表在《激光与光子学评论》期刊上。

单光子源是一种每次只产生一个光粒子（即光子）的器件。它是基于光子的量子技术（如量子通信、量子传感和量子测量）的起点。

例如，在量子通信中，信息被编码到单个光子上，任何窃听尝试都会改变光子的状态，从而留下可检测的痕迹。然而，到目前为止，传统的单光子源需要约-270°C的低温环境、占据整个房间的光学平台以及熟练的研究人员来操作，这限制了它们在通信站点、医院和安全设施等现实场景中的部署。

从实验室装置到现场设备

KRISS的研究人员将这种基于氮化镓（GaN）半导体的单光子源实现为一种室温、即插即用的设备。

该系统使用标准220 V电源运行，无需复杂的光学对准即可产生单光子。其19英寸机架式外形设计使其易于与现有的量子密钥分发（QKD）设备连接，同时也便于现场安装和操作。

精确定位发光缺陷

这项技术的核心在于利用氮化镓半导体内部自然形成的微小缺陷。当向其中一个缺陷施加能量时，它会一次一个地发射光子。然而，由于这些缺陷是原子尺度的且随机分布，一旦找到某个位置就很难重复使用。

KRISS开发了一种确定性空间映射技术，像记录坐标一样记录每个发射位置，使设备即使在开关机之后也能自动回到同一点。

作为此项研究的合作方，国立公州大学Lee Wook-Jae教授团队设计并在半导体表面制备了纳米级圆形布拉格光栅（CBG），它能将光子向上引导，最大限度地提高从缺陷处发射的光子的提取效率。

国内对量子硬件的推动

随着全球争夺量子技术早期领先地位的竞争日益激烈，确保核心设备和组件已成为国家竞争力的关键问题。这项成果是量子材料、零部件和设备国产化的一个案例，它利用本土技术将单光子源变成一个完全可用的器件。

该器件可作为一种关键光源，用于加强金融、医疗和政府网络等重要渠道的量子密码通信安全。KRISS目前正与其衍生公司QRAD Inc.合作，推进商业化。

构建更广泛的量子平台

除了生产单光子源，KRISS还运营着韩国唯一的一站式量子光平台，将光源质量的验证与开发和进一步改进连接起来。

凭借其量子表征测试服务和单光子测量能力，研究团队将这些见解反映到设计中，将光源提炼成更纯净、更稳定的光。

KRISS还通过与海外计量机构（包括德国联邦物理技术研究院（PTB）和意大利国家计量研究院（INRIM））的比对与验证，以及参与欧盟地平线项目合作，不断提升其国际信誉。

KRISS首席研究科学家Hong Keesuk博士说：“单光子源是基于光子的量子技术中不可或缺的组成部分，但它们长期被局限在低温实验室内，这项成就的意义在于将光源转变为可在室温下工作的器件，极大地降低了实际应用的门槛。”

QRAD Inc.首席执行官Lee Dong-hoon博士表示：“量子产业的竞争力取决于你是否能自己制造核心组件并可靠地供应它们，我们的目标是将KRISS的技术开发成更小型、更坚固的产品，构建植根于本土技术的量子光源供应链。”

为这一成果奠定基础的光子提取效率提升研究，是由KRISS光度学与辐射度学计量组与国立公州大学数据信息物理系Lee Wook-Jae教授团队共同完成的。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1002/lpor.202401966