固态单光子源：新兴量子材料的最新进展与未来展望

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固态单光子源：新兴量子材料的最新进展与未来展望——基于 TMD 单层、六方氮化硼缺陷与钙钛矿量子点的综述总结（DOI: 10.1002/adfm.202315936）

一、研究背景

量子光子学正在从实验室走向实用化，其核心单元之一是按需产生单个光子的“固态单光子源”。传统 III–V 自组装量子点（QDs）已实现高亮度（B≈85%）、高纯度（P≈98%）与高不可区分度（I≈96%），但工艺复杂、波长固定、难以异质集成。过去十年内，过渡金属硫化物（TMD）单层、六方氮化硼（hBN）缺陷和钙钛矿量子点（PQDs）因制备简单、波长可调、室温兼容等优势迅速崛起，成为可规模化的下一代量子光源候选。本文基于 2024 年《Adv. Funct. Mater.》长篇综述，系统梳理三大平台的研究现状、性能瓶颈与应用前景。

二、性能基准：BPI 框架

评估单光子源的核心指标统一为：

• Brightness（B）——每脉冲产生并收集到的光子概率；
• Purity（P）——单光子纯度，P = 1 – g(2)(0)；
• Indistinguishability（I）——两光子干涉可见度。
  
  
  三指标同时逼近 1，才能真正支撑量子通信、计算与传感。表 2 给出当前最佳纪录：
  
  

三、三大新兴平台进展

• TMD 单层量子点
  
  • 结构：MX₂（M = Mo, W; X = S, Se, Te）单原子层，受局域应力或缺陷束缚的激子发光。
  • 性能：目前最高亮度 65%，但 I 受限于皮秒级退相干；已演示 780–1550 nm 波段、电致发光、激子–双激子级联纠缠。
  • 优势：可异质集成到 SiN、石墨烯栅极与压电衬底，实现电场/应力双向调谐。
  • 挑战：低温（<10 K）才能抑制电荷噪声；需发展共振激发与 Purcell 腔增强以提升 I。
    
• hBN 缺陷中心
  
  • 结构：带隙 ~6 eV 的二维绝缘体，空位、替位及碳簇等缺陷在 300–850 nm 发光。
  • 性能：室温单光子纯度 99.4%，I 达 56%，亮度受限于收集效率（~1%）。
  • 优势：室温自旋读出（T₂ 可达 μs 级）、可离子注入定位、dc Stark 与应力调谐。
  • 应用：已用于 QKD（水下链路）、星载量子通信 CubeSat 载荷、量子随机数发生。
  • 挑战：缺陷化学尚未完全厘清，光谱扩散与均匀线宽需进一步抑制。
    
• 钙钛矿量子点 PQDs
  
  • 结构：ABX₃ 纳米晶（A=Cs⁺/FA⁺, X=Cl/Br/I），尺寸 5–20 nm，带隙 400–800 nm 可调。
  • 性能：溶液合成量子产率近 100%，已报道 g(2)(0)=0.02，HOM 可见度 52%，寿命短（200 ps–10 ns）。
  • 优势：成本低、可打印、易与光子晶体/微腔集成；已演示 Purcell 因子≈2–5 的腔增强。
  • 挑战：湿度敏感、闪烁与光漂白需包壳钝化；尚未实现自旋接口与双光子纠缠。
    
  
  

四、光子腔与激发方案

• 腔 QED：开放式 Fabry–Perot、Bull’s-eye 光栅、SiN 微环均可提升收集效率与 Purcell 因子。
• 激发策略：TMD 已尝试共振激发与双色脉冲抑制激光散射；hBN 主要依赖非共振泵浦；PQD 共振方案尚未建立。共振激发+腔 Purcell 是提升 I 的共同路径。
  

五、未来展望

• TMD：发展低温片上光子晶格，实现多量子点耦合与可扩展集群态生成；探索应变/电场快速调谐实现片上可重构网络。
• hBN：利用离子注入+微透镜阵列，批量制备光谱一致的室温单光子源；结合自旋-光子接口，构建星地一体化 QKD 与纳米磁测网络。
• PQD：通过核壳工程解决稳定性，开发无铅钙钛矿；集成到 CMOS 兼容氮化硅平台，实现可见-近红外多色量子光源阵列。
• 通用难题：
  
  • 退相干机制需原子级缺陷工程；
  • 多源一致性需统计缺陷定位与光谱自校准；
  • 与超导、原子等量子存储器接口实现混合量子网络。
    

六、结论
TMD 单层、hBN 缺陷与 PQDs 在亮度、纯度或工作温度上已各显优势，但“三高”指标尚未在同一体系内同时达到 III–V QD 水平。未来五年，通过缺陷物理-光子结构-量子协议协同设计，三大平台有望突破性能极限，成为可量产、可部署的第二代固态单光子源，推动量子互联网、分布式传感与量子计算迈向实用化。