量子信息时代我们拭目以待

量子计算和量子密码学被期望比经典计算机提供更高的能力。例如，由于基本单位量子位（量子比特）的性质不同，量子系统中的计算能力可能会以双指数速率增长，而不是以经典的线性速率增长。纠缠粒子为不可破解的密码安全通信。这些技术的重要性促使美国立法通过《国家量子倡议法》（National Quantum Initiative Act），该法案授权在未来5年内拨款12亿美元（约合84亿元人民币）用于发展量子信息科学。

单光子可以作为这些应用的基本量子位源，为了实现实际应用，单个光子应该在电信波长，范围从1260 - 1675纳米，该设备应该在室温下工作。迄今为止，碳纳米管中只有一个荧光量子缺陷同时具有这两种特性。

然而，由于制备方法需要特殊的反应物、难以控制、进展缓慢、产生非发射缺陷或难以规模化，这些单一缺陷的精确制造受到了阻碍。麻省理工学院生物工程系负责人安吉拉·贝尔彻、科赫研究所成员、生物工程系教授詹姆斯·克拉夫茨以及发表在《自然通讯》上博士后林清伟（音译）的研究：

描述了一种简单方法来制造基于碳纳米管的单光子发射器，这种单光子发射器被称为荧光量子缺陷。现在可以在一分钟内快速合成这些荧光量子缺陷，只需使用家用漂白剂和光，可以很容易地大规模生产。贝尔彻实验室用最少的非荧光缺陷，证明了这一惊人的简单方法。将碳纳米管浸入漂白剂中，然后用紫外线照射不到一分钟，就产生了荧光量子缺陷。荧光量子缺陷的存在大大降低了将基础研究转化为实际应用的障碍，同时，纳米管在产生这些荧光缺陷后变得更加明亮。

此外，这些缺陷碳纳米管的激发/发射转移到所谓短波红外区（900- 1600纳米），这是一个不可见的光学窗口，波长略长于常规的近红外。更重要的是，在更长的波长和更明亮缺陷发射器的操作，能让研究人员通过更清晰和深入的组织光学成像。因此，基于缺陷碳纳米管的光学探针（通常将目标材料与缺陷碳纳米管结合）将大大提高成像性能，使癌症检测和治疗如早期检测和图像引导手术成为可能。贝尔彻实验室的目标是开发一种非常明亮的探针，它能在最佳光学窗口下观察非常小的肿瘤，主要是卵巢癌和脑癌。

如果医生能更早发现这种疾病，存活率可以显著提高。现在，新荧光量子缺陷可以成为升级现有成像系统的合适工具，通过缺陷发射来观察更小的肿瘤。与上一代成像系统相比，使用的探针数量少了150倍，这表明我们在癌症早期检测方面又向前迈进了一步。在莱斯大学的合作下，研究人员首次可以利用一种称为方差光谱的新光谱方法，识别碳纳米管中量子缺陷的分布。这种方法有助于研究人员监测含碳纳米管量子缺陷的质量，并更容易找到正确的合成参数。