清華材料團隊突破量子光源亮度極限

　　量子科技被視為下一世代科技革命核心，從量子通訊、量子運算到量子加密，都高度仰賴能夠「一次只發出一個光子」的單光子光源（single-photon source）。然而，要在室溫下同時實現「超高亮度」、「高速放光」與「穩定不閃爍」的量子光源，一直是全球量子光電領域最困難的挑戰之一。
　　國立清華大學材料科學工程學系林皓武教授團隊，近期於國際頂尖期刊 Science Advances 發表突破性研究，成功結合鈣鈦礦量子點（perovskite quantum dots）與電漿子奈米共振腔（plasmonic nanocavity），開發出目前全球最亮的室溫單光子量子光源之一，單光子放光速率高達每秒 23 億個光子，較團隊先前紀錄提升約 250 倍。這項成果不僅刷新室溫單光子源亮度紀錄，也為未來量子通訊與量子光子晶片發展奠定重要基礎。

從「世界最亮無共振腔量子光源」到真正量子奈米共振腔

　　數年前，林皓武教授團隊即曾於 ACS Nano 發表當時全球最亮的「無共振腔」室溫單光子光源，每秒可產生約 900 萬個單光子；此次研究則更進一步，首次成功將 CsPbI₃ 鈣鈦礦量子點與僅約 100 奈米大小的銀奈米立方體結合，建構出具有強光–物質交互作用（strong light-matter interaction）的奈米電漿子共振腔，大幅提升量子點發光效率。
　　研究中最困難的挑戰，在於兩種材料原本「完全不相容」，由於銀奈米立方體需分散於酒精等高極性溶劑中，但傳統鈣鈦礦量子點遇到這類溶劑便會迅速溶解，導致量子特性完全消失。為解決此問題，研究團隊創新利用兩性離子（zwitterion）作為保護層，如同替量子點穿上一層「奈米雨衣」，使其能抵抗極性溶劑破壞，成功實現鈣鈦礦量子點與奈米共振腔的整合。

亮到讓偵測器「過曝」

　　當研究團隊利用自行改裝的國產共軛焦顯微鏡（confocal microscopy）進行量測時，意外發現單光子偵測器竟直接飽和，林皓武教授形容「就像拿相機直接對著太陽拍照一樣，整個偵測器完全過曝。」
　　由於放光強度過高，團隊甚至必須在偵測器前加裝不同等級的中性密度濾鏡（neutral density filter），如同替儀器戴上「墨鏡」，才能順利完成量測。最終，研究團隊量測到超過每秒 2.3 × 10^9 個單光子的驚人放光速率，創下目前室溫單光子源的重要世界紀錄。
　　更重要的是，研究團隊同時觀察到：

• 超高速放光（低於 12 皮秒） 
• 高純度單光子特性 
• 室溫下非閃爍（nonblinking）放光 

　　這些過去極難同時存在的量子特性。

破解量子點「閃爍」難題

　　量子點長期存在一項著名問題：閃爍（blinking），也就是在持續激發下，量子點會隨機在「發光」與「不發光」狀態間切換，嚴重影響量子通訊與量子運算應用。
　　過去許多研究團隊雖曾利用共振腔提升傳統 CdSe 量子點亮度，但通常會犧牲單光子純度。林皓武教授團隊此次則發現，CsPbI3 鈣鈦礦量子點在奈米電漿子共振腔中，仍可維持極佳單光子特性，並成功抑制閃爍現象。研究團隊指出，這與鈣鈦礦量子點特殊的量子物理特性有關。奈米共振腔大幅提升了輻射放光速率，使量子點在形成不發光狀態前，就已快速完成放光，進而有效抑制閃爍現象。

清華工學院材料系深耕量子材料與奈米光電

　　本研究展現國立清華大學工學院材料系在奈米材料、鈣鈦礦光電、量子光學、奈米製程、單光子量測等前瞻領域的深厚實力；並且，研究團隊從材料合成、奈米結構設計，到量子光學量測系統皆自主開發，甚至連高靈敏度共軛焦顯微鏡系統也由團隊自行改裝完成，展現清華工學院跨領域整合與自主研發能力。
　　隨著全球量子科技競爭快速升溫，超高速、高亮度且穩定的單光子源，將成為未來量子通訊、量子運算與光子晶片的重要核心元件。林皓武教授團隊此次突破，不僅讓臺灣在量子光電領域站上世界舞台，也為未來量子科技產業發展開啟新契機！