I optisk kommunikation, kritisk information som sträcker sig från ett kreditkortsnummer till nationella säkerhetsdata överförs i strömmar av laserpulser. Dock, informationen som överförs på detta sätt kan stjälas genom att dela upp några fotoner (ljuskvantiteten) av laserpulsen. Denna typ av avlyssning kan förhindras genom att koda bitar av information om kvantmekaniska tillstånd (t.ex. polarisationstillstånd) för enstaka fotoner. Möjligheten att generera enstaka fotoner på begäran har nyckeln till förverkligandet av ett sådant kommunikationsschema.

Genom att demonstrera att införlivande av orörda enväggiga kolnanorör i en kiseldioxid (SiO2) -matris kan leda till skapande av ett ensamt syre-dopant tillstånd som kan fluktuera fritt, rumstemperatur enstaka fotonemission, Los Alamos-forskare avslöjade en ny väg mot on-demand-enfotongenerering. Naturnanoteknik publicerade sina fynd.

Fotoner som avges från lasrar distribueras slumpmässigt i tid. Därför, "samtidig" emission av två eller flera fotoner är möjlig. Sann enkelfotogenerering kräver ett isolerat kvantmekaniskt tvånivåsystem som endast kan avge en foton i en excitationsemissionscykel. Tekniska krav på material för kvantkommunikation inkluderar förmågan att generera enstaka fotoner i 1, 300 - 1, 500 nanometer (nm) telekommunikationsvåglängdsområde vid rumstemperatur och kompatibilitet med kiselmikrofabrikeringsteknik för att möjliggöra elektrisk stimulering och integration av andra elektroniska och fotoniska nätverkskomponenter. Tidigare studier visade att kolnanorör utgör tekniska utmaningar för användning i kvantkommunikation:1) materialen kunde endast emittera enstaka foton vid kryogen temperatur, och 2) deras ineffektiva utsläpp hade starka fluktuationer och nedbrytning.

Laboratoriets nya forskning har visat att införlivande av orörda kolnanorör i en kiseldioxid (SiO2) -matris kan leda till införlivande av solitära syredopanttillstånd som kan fluktuera, rumstemperatur enstaka fotonutsläpp i våglängdsområdet 1100 - 1300 nm.

De syredopade nanorören kan inkapslas i ett SiO2-skikt avsatt på en kiselskiva. Detta ger en möjlighet att tillämpa väletablerad mikroelektronisk tillverkningsteknik för utveckling av elektriskt drivna enkelfotonkällor och integration av dessa källor i kvantfotoniska enheter och nätverk. Utöver implementering av kvantkommunikationsteknik, nanorörbaserade enkla fotonkällor kan möjliggöra transformerande kvantteknik inklusive ultrakänsliga absorptionsmätningar, sub-diffraktionsavbildning, och linjär kvantberäkning. Materialet har potential för fotonisk, plasmonisk, optoelektronisk, och applikationer för kvantinformationsvetenskap.

Genom att använda en toppmodern fotondetektor, laget mätte tidsfördelningen av två på varandra följande fotonemissionshändelser och visade enstaka fotonemission. Dessutom, teamet undersökte effekterna av temperatur på fotoluminescensutsläppseffektivitet, fluktuationer, och sönderfallsdynamik för dopanttillstånden i det enväggiga kolnanoröret. Forskarna bestämde de förhållanden som var mest lämpliga för observation av enfotonemission. I princip, utsläppet kunde justeras till 1500 nm via dopning av mindre bandgap enväggiga kolnanorör. Detta är en klar fördel jämfört med vissa andra material, i vilken enkel fotonemission är möjlig för endast några få diskreta våglängder kortare än 1 µm.