高品质的单光子源是实现光量子信息技术的基础——它在确定的时间内最多发射一个光子，光子“单行”，才能实现量子通信、光量子计算机等新一代技术所依赖的量子效应。浙江大学光电学院方伟与化学系金一政、彭笑刚合作，首次实现了室温下基于胶体量子点的电驱动高纯度单光子源，为研发实用化、集成化的单光子源开辟出一条新路。

相关研究论文近日发表于《自然通讯》（Nature Communications）。论文第一作者为博士生林星、戴兴良、濮超丹。

单光子源与我们日常所见的传统光源大为不同。方伟副教授的实验室主页上写着一句话：“太阳用连续的光谱展示多彩的天地万物，我们用一两个光子探索神奇的量子世界。”太阳光、电灯等发出的都是“抱团”的光子，而单光子源在确定的时间内最多发射一个光子。

设计制造出可集成化、使用方便的理想的单光子源一直是科学家们追求的目标。在凝聚态领域，目前主流的方法有自组织量子点与金刚石色心等两种体系，但面向实际应用，仍然充满着局限与巨大挑战。2014年起，方伟、金一政、彭笑刚等学者联手，另辟蹊径，尝试用胶体量子点来制造新型的单光子源。

光是能量的一种形式，当物质中的电子从一个高能级跃迁到一个相对较低的空能级，能量就会被释放——如果这份能量以光的形式表现出来，就会看到这个物质在发光。在半导体材料中，如果电子掉进空能级的空穴，就会发出光子，这被称为“电子空穴复合”。为了保证一个较高的复合效率，科研人员常会提供一个复合介质，也就是“发光材料”。在这类材料里安排电子和空穴“相亲”，成功几率会大大提高。学名叫“可溶的无机半导体纳米晶”，简称为溶液纳米晶的量子点，正是非常优异的发光介质，只要电子和空穴一对一的进入到量子点，就会复合发光，发光量子效率可以高达100％。

胶体量子点是一种已知的发光性能极好的纳米晶体材料。科学家需要实现的目标是：如何让单个的量子点在室温下通过电激发，高效地发出一个光子。由于通常状态下，半导体材料中的电子比空穴“跑”得快得多，想要在单个量子点中制造和谐的“复合”，必须想办法平衡两者速率。

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室里，记者看到了一片片指甲盖大小的透明器件，厚度不到一毫米的结构中，包含了科学家巧妙的设计：他们将单个的胶体量子点用绝缘层包裹起来。这个绝缘层放慢了电子的“步伐”，同时也阻止了电子与空穴的直接复合而产生“杂光”。在2．6v电压的驱动下，单个的胶体量子点成功被激发，屏幕上看到的针尖大小的亮点，正是胶体量子点发出的一个个“单行”的光子。这一巧妙的设计，成功保证了高纯度单光子的产生。

方伟介绍，制备新型量子光源不需要苛刻工作环境，样品的制备可以通过便捷的溶液旋涂法完成的。在光量子技术实用化、集成化的需求面前，这一新型光源纯度高、制备工艺简单、工作电压低等特征展现出了特别的优势。研究团队认为，随着目前胶体量子点合成技术的快速发展，他们将进一步改进技术路线，并有信心为真正实现量子信息应用做出贡献。