来自Lawrence Berkeley National Laboratory的研究人员开发出一种按照需要生成相同的单光子的方法，这是实现量子通信的关键一步。光发射器件是基于一种常见的二维半导体材料(二硫化钨，WS2)，研究人员是在石墨烯薄膜上生长的。为了便于光子发射，该材料的晶体结构中去除了一个硫原子。这种晶格的不完美作为电流产生光子的发光点。

通过理论模拟和实验，研究团队确定了在晶格什么位置引入缺陷。然后,使用扫描隧道显微镜的镀金探针的尖端，将电子注入到缺陷中。当电子从探针尖端转移时,其能量的一部分将转换为单个光子。最后，探针尖端充当天线来引导发射的光子到光学探测器，从而记录其发射波长和发光位置。

图中显示施加电压时从薄膜材料发射的光子的强度和发光位置。伯克利实验室供图。

在对发射光子成像时，研究人员找到了注入的电子、局部原子结构和发射光子本身之间的相关性。通常对于这种类型的成像，其光学分辨率被限制在几百纳米。由于极局域化的电子注入和最先进的显微镜工具，伯克利实验室团队确定了光子在材料中的发射位置，其发光点的分辨率低于1 Å，这个大小约为单个原子的直径。

来自Molecular Foundry in the Lawrence Berkeley National Laboratory 的Katherine Cochrane 是文章的主要作者，她说： “在技术方面，这项工作是一个重大突破，因为我们可以通过亚纳米分辨率对单一缺陷的发光成像。我们用原子分辨率来可视化光发射。 ” 从历史上看，开发单光子发射技术的挑战不是如何产生单个光子，而是如何使光子完全相同并且按照需要产生。光子发射器件(如QLED电视中使用的量子点)是通过光刻技术制备的，因此受限于其固有的差异制造。

这项研究为产生完全相同的光子群提供了解决方案，研究人员计划把新材料当做光子源应用在量子网络以及模拟中。主导这个项目的伯克利实验室Molecular Foundry的科学研究员Alex Weber-Bargioni表示：“实现对一个精确的物理点进行电致注入单光子发射是量子集成技术的一大进步。”

这项研究成果发表在《Science Advances》上(http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abb5988).

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